Εντός των τειχών, η ανασκαφική έρευνα έφερε στο φως τα κατάλοιπα ενός μεγάλων διαστάσεων περίκεντρου, τρουλαίου ναού, ο οποίος αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα εκκλησιαστικά μνημεία της Θράκης. Ο ναός έχει εξωτερικά σχήμα εξαγώνου, με τριμερές Ιερό Βήμα και νάρθηκα. Ο χώρος του κυρίως ναού καλυπτόταν άλλοτε με μεγάλο τρούλο, διαμέτρου 8,50 μ. Στη βόρεια πλευρά του νάρθηκα, είναι προσκολλημένο το βαπτιστήριο του ναού. Οι μεγάλες διαστάσεις του ναού, η επιμελημένη τοιχοποιία και ο όχι ιδιαίτερα συνηθισμένος αρχιτεκτονικός του τύπος υποδεικνύουν ότι πρόκειται για τον επισκοπικό ναό της πόλης. Αναγνωρίζονται τρεις οικοδομικές φάσεις: ο ναός ανεγέρθηκε πιθανότατα κατά τους παλαιοχριστιανικούς χρόνους, γνώρισε μία εκτεταμένη ανακατασκευή στο β΄ μισό του 11ου αιώνα και δέχθηκε μικρότερης έκτασης επεμβάσεις στο α΄ μισό του 13ου αιώνα. Υπάρχει η άποψη, ωστόσο, ότι ο ναός αποτελεί κατεξοχήν κτίσμα του β΄ μισού του 11ου αιώνα και κατά την ανέγερσή του χρησιμοποιήθηκε οικοδομικό υλικό προγενέστερου παλαιοχριστιανικού ναού που βρισκόταν στην ίδια ή παρακείμενη θέση. Με την ανέγερση του ναού έχει συνδεθεί ο κτήτορας Κωνσταντίνος, που μνημονεύεται σε έμμετρη επιγραφή μαρμάρινου υπέρθυρου του β΄ μισού του 11ου αιώνα, το οποίο περισυλλέχθηκε από τον χώρο της Μοσυνούπολης και εκτίθεται σήμερα στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Κομοτηνής.

Ο ναός διέθετε αρχικά μαρμάρινο δάπεδο, ορισμένα τμήματα του οποίου επισκευάστηκαν κατά τη διάρκεια του 12ου αιώνα. Τότε τοποθετήθηκαν πάνω στο αρχικό δάπεδο καινούρια ορθογώνια διάχωρα, τα πλαίσια των οποίων ορίζονται είτε με μαρμαροθέτημα είτε με ψηφιδωτό. Το διάχωρο μπροστά από την Ωραία Πύλη κοσμείται με το προσφιλές θέμα των «πέντε άρτων». Κατά την ανασκαφή περισυλλέχθηκαν αξιόλογα μαρμάρινα γλυπτά, ανάμεσα στα οποία περιλαμβάνονται τμήματα του τέμπλου και του άμβωνα του ναού. Στο εσωτερικό του ναού αποκαλύφθηκαν οκτώ τάφοι, ο ένας εκ των οποίων, κοντά στον χώρο της πρόθεσης, έχει τη μορφή τάφου-αρκοσολίου και είναι ιδιαίτερα επιμελημένος. Στο τύμπανο του αρκοσολίου εικονίζεται η παράσταση της Δέησης, κατεστραμμένη σε μεγάλο βαθμό. Σύμφωνα με τη δυσανάγνωστη γραπτή επιγραφή που τη συνοδεύει, ο τάφος ανήκε σε επίσκοπο της Μοσυνούπολης, που ενδεχομένως ονομαζόταν Θεοφύλακτος. Λείψανα τοιχογραφικού διακόσμου διατηρούνται και σε διάφορα άλλα σημεία του ναού, τα οποία χρονολογούνται στο τέλος του 11ου-α΄ τέταρτο του 12ου αιώνα.

Στον περιβάλλοντα χώρο του ναού αποκαλύφθηκαν δύο στενές και επιμήκεις οικιστικές εγκαταστάσεις, που ανεγέρθηκαν τον 12ο αιώνα η πρώτη και στις αρχές του 13ου αιώνα η δεύτερη, μετά την εγκατάλειψη ή την καταστροφή του ναού. Στα κινητά ευρήματα των δύο χώρων περιλαμβάνεται ένας αξιόλογος αριθμός πήλινων εφυαλωμένων αγγείων του α΄ μισού του 13ου αιώνα, με κοινά χαρακτηριστικά ως προς τον πηλό, το σχήμα και τον διάκοσμο, στοιχείο που υποδεικνύει ότι έχουν κατασκευαστεί από κάποιο τοπικό εργαστήριο κεραμικής, που έδρευε στη Μοσυνούπολη. Την ύπαρξη τοπικού εργαστηρίου κεραμικής επιβεβαιώνει ο εντοπισμός σε μικρή απόσταση από τον ναό πολυάριθμων κυλινδρικών ράβδων όπτησης και ενός κεραμικού κλιβάνου.