Dédiée à saint Martin, l’église de Semur-en-Vallon est orientée, c’est-à-dire que le chœur fait face à l’est. Son plan, très simple, comprend une nef rectangulaire, un chœur presque carré, plus bas et plus étroit, agrandi d’une sorte de bas-côté au nord, ainsi qu’une chapelle seigneuriale accolée au sud. Le presbytère occupait le flanc nord avant 1652, et le cimetière le flanc sud avant 1818.

Les murs présentent un appareillage de moellons de grès, grison, calcaire et silex. La nef possède deux portes, l’une en plein cintre, chanfreinée et surmontée d’un oculus ovale, sur le mur-pignon occidental, l’autre à linteau droit orné d’un cadran solaire sur le mur sud. Deux fenêtres éclairent la nef au sud, l’une en arc brisé à remplage flamboyant, l’autre en plein cintre, à arc trilobé. Le mur nord est aveugle. Le petit clocher carré, essenté et couvert d’ardoise, surmonte le mur-pignon : il abrite deux cloches de 1779 ainsi que celle provenant de l’ancienne chapelle des Seysses aujourd’hui détruite. Le chevet, épaulé dans l’angle sud-est d’un gros contrefort, présente la trace d’une grande baie murée. Trois petites ouvertures éclairent le bas-côté en appentis au nord, tandis que la chapelle seigneuriale au sud présente une grande fenêtre en arc brisé à moulures prismatiques, ainsi que les traces de trois petites ouvertures cintrées dont les arcs sont faits de tuiles juxtaposées (dont deux placées au sommet du pignon). Il subsiste tout autour de l’édifice une corniche en quart-de-rond ainsi que de nombreuses traces d’une litre funéraire en plâtre mais dont les armoiries ont été entièrement effacées. La sacristie, placée dans l’angle entre le chœur et la chapelle, est ornée d’un solin en brique et d’une corniche moulurée, et percée de deux fenêtres à appui commun et à linteaux à accolades. On retrouve ce motif à la porte actuelle de la chapelle, placée sous un petit auvent récent.

A l’intérieur, au revers du pignon occidental, se trouve une tribune très simple en bois, desservie par un escalier tournant. Deux anciens entraits au décors de bagues caractéristiques du XVe ou du XVIe siècle ont été placés verticalement pour supporter le poids du clocher. Sous la tribune se trouvent le confessionnal et les fonts baptismaux entourés d’une balustrade en bois. Sur la tribune sont visibles le mécanisme de l’horloge de l’église orné d’une plaque gravée "Arnouillaut mairie 1er septembre 1874" ainsi qu’une bannière mariale de 1843. On peut également y observer la dédicace de la restauration du lambris de 1949 : ce dernier est orné de motifs géométriques et floraux stylisés reprenant ceux du chœur. Des tirants en fer ont remplacé les entraits en bois. A l’entrée du chœur, de part et d’autre de l’arc triomphal en plein cintre, sont disposés deux petits retables en bois, l’un dédié à la Vierge, l’autre à saint Joseph. Le Christ en croix en bois, daté du XVIIe siècle, placé sur le mur nord de la nef, occupait auparavant le sommet de l’arc triomphal. Il est classé au titre des Monuments Historiques depuis 1952.

Le chœur est couvert d’une voûte lambrissée à quatre pans ; les entraits et les poinçons ont été sciés probablement pour dégager la vue sur le haut du retable. Le décor peint se compose de motifs simples et grossiers, géométriques ou végétaux, mais aussi de têtes d’angelots ou masques à cornes reliés par des guirlandes. Certains éléments, en rupture avec la continuité du décor, ont été remontés. Des médaillons peints de motifs divers (têtes humaines, tête de diable, tête de mort, fleurs, oiseaux, agneau ?) sont cloués sur le lambris. Le mur oriental est masqué par un grand retable en bois tripartite, orné de colonnes cannelées à chapiteaux corinthiens, garni des statues de saint Martin et saint Étienne de part et d’autre d’un tableau représentant l’Ascension. L’entablement et le fronton cintré sont surmontés de statues d’anges en adoration et de la Vierge à l’Enfant. L’étroit bas-côté nord du chœur, parfois assimilé à une chapelle seigneuriale (ce qui semble inexact) en est séparé par deux arcs en plein cintre retombant sur un pilier central. Celui-ci possède un chapiteau sculpté de feuillages, de volutes et d’un cartouche daté 1539. Du sommet de la corbeille émerge, sur chaque face, un élément figuré : un ange tenant un phylactère, Dieu bénissant tenant le globe, une tête de lion et un squelette. Le bas-côté est couvert d’une voûte lambrissée en quart de rond où l’on retrouve les traces de motifs ornementaux. Une petite niche avec lavabo y est également visible.

De l’autre côté du chœur, la chapelle seigneuriale est accessible par un grand arc en plein cintre. La charpente et le lambris ont été repeints en bleu avec un semis de fleurs de lys. Certaines lattes ont été remplacées par des éléments de remploi où l’on retrouve des motifs semblables à ceux du chœur. L’autel est dédié au Sacré-Cœur. La porte d’accès primitive, chanfreinée et à arc en anse de panier, donne aujourd’hui dans la sacristie, elle-même accessible par une autre porte à accolade donnant dans le chœur. On remarque sur les murs, ainsi que dans l’ensemble de l’église, les traces d’une litre funéraire en grande partie effacée. Un seul des blasons, repeint, demeure lisible aujourd’hui, dans le bas-côté nord. Il présente un écartelé des armoiries des familles de Picher (acquéreurs de la terre de Semur en 1643), de Beauxoncles et de Montmorency : aux 1 et 4 d’argent à trois pichets de sable, au 2 d’azur à trois coquillages d’or, au 3 d’or à la croix de gueules cantonnée de seize alérions d’azur (repeints en fleurs de lys).