La facciata è a capanna semplice, in muratura intonacata. Unici elementi leggermente in rilievo sono la modanatura della finestra posta in alto e la decorazione del portale: una cornice in marmo a mensole a chiocciola che sostengono un timpano spezzato con al centro un'edicola sormontata da una croce. L'interno si presenta ad una sola navata con copertura a soffitto piano e abside quadrata. L'altare interamente in legno scolpito, è incorniciato da due colonne che sostengono un architrave dove sono posti angeli reggicandela e un'edicola centrale con cornice a mescheroni. Il nucleo originario della chiesa fu costruito, secondo gli storici locali, a cavallo tra XIII e XIV secolo, epoca di massima diffusione del culto di S. Nicola di Bari, che secondo una tradizione locale aveva preservato dalla morte alcuni abitanti del paese partiti per le crociate. L'antica torre del Castrum Sancti Pauli divenne la torre campanaria, la quale conserva ancora una campana che risale al 1390. Una lapide custodita all'interno ci informa che la chiesa venne "ricostruita e ampliata" nel 1587. Il campanile fu invece abbattuto da un fulmine e ricostruito per volere del vescovo di Tivoli Marcello Santacroce nel 1669 (data incisa sulla volta interna). La cupola ottagonale e la sua decorazione sono attribuite all'architetto Guidetto Guidetti. L'edificio fu di nuovo rinnovato nel 1910, quando il pittore Mario Agrifoglio ne dipinse il soffitto e le pareti. Altri restauri ebbero luogo nel 1934, riguardarono il pavimento sotto il quale si trovano 8 sepolcri. Durante tali lavori fu ritrovato un’antica pila di pietra che si presume che fosse la vasca battesimale. L'altare maggiore, in stucco e legno dipinto, risale 1787 e si sovrappone ad uno più antico. Il quadro d'altare, raffigurante S. Nicola di Bari, che nello strato più antico risalirebbe al secolo XV, appare ora completamente ridipinto. La sacrestia venne annessa alla chiesa nel 1805, mentre nel 1828 fu di nuovo restaurato il campanile. Tra le opere che arricchiscono la Chiesa, vi è un Trittico di autore ignoto risalente presumibilmente al XVI secolo. Restaurato nel 1999, trafugato il 2 Aprile del 2000, è stato riconsegnato a tutta la comunità di San Polo dei Cavalieri il 13 Agosto 2006 dai Carabinieri del Nucleo Tutela patrimonio artistico di Firenze.