L’église Sainte-Croix de Moulézan, est située place de l’Église et est encerclée par la rue du même nom. Deux maisons lui sont accolées à l’ouest. L’édifice en croix latine se compose d’une tribune ouverte, d’un vaisseau unique voûté d’arêtes, de deux chapelles formant transept et s’achève par une abside à pans coupés. Une sacristie est accolée côté sud-est. L'ensemble peut être rapproché d'une architecture romane remaniée au XIXe siècle.

La particularité de cet édifice résulte de son changement d’orientation suite à son agrandissement. À l’origine orientée, cette modeste église romane comprenait une façade à oculus (visible depuis l'impasse côté ouest) et une nef unique s’achevant par une abside semi-circulaire voûtée en cul-de-four (actuelle chapelle à gauche du choeur). Ne pouvant accueillir l’ensemble des fidèles, l'église est agrandie par l’ajout du chœur actuel au sud et d’une nouvelle façade au nord. L’église de Moulézan possède toujours deux façades et deux clochers.

Le portail d’entrée actuel en plein cintre est surmonté d’un oculus et d’un campanile à base carrée reprenant des modèles romans régionaux. Les appareils extérieurs sont mixtes : la base de l’ancien chœur à l’est est en pierre de taille calcaire de moyen appareil, les parties hautes en moellons équarris semblent aller dans le sens d’une reprise postérieure. À l’intérieur, le calcaire se mêle à la brique et au granit donnant ainsi une esthétique polychrome. Les couvertures sont à longs pans en tuile creuse à l’exception de celle du clocher nord formée d’un dôme en dalle de pierre.

L’absence d’enduit sur les maçonneries intérieures permet d’apercevoir l’ancienne porte donnant sur la sacristie dans la chapelle est. Cette dernière murée ne sert plus d’organe de circulation et a été remplacée par une porte à gauche du chœur. Le portail primitif n’est plus visible à l’ouest depuis l’intérieur de l’église. Un escalier à retour en maçonnerie orné de balustres en poire se situe au nord-est et permet de monter à la tribune.