石室は凝灰岩の切石を組み立てたもので、南側に墓道があり、南北方向に長い平面をもっている。石室の寸法は南北の長さが約265cm、東西の幅が約103cm、高さが約113cm（いずれも内法寸法）であり、大人2人がかがんでやっと入れる程度の狭小な空間である。横口式石槨と呼ばれる系統に入り、平らな底石の上に板石を組み合わせて造ってある。横口式石槨の系譜には、鬼の俎板（まないた）・厠（かわや）、斉明陵と推測されている牽牛子塚（けんごしづか）古墳、野口王墓（天武・持統陵）、キトラ古墳などが入り、7世紀前半の中頃から8世紀初頭まで続いている。
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壁画は石室の東壁・西壁・北壁（奥壁）・天井の4面に存在し、切石の上に厚さ数ミリの漆喰を塗った上に描かれている。壁画の題材は人物像、日月、四方四神および星辰（星座）である。東壁には手前から男子群像、四神のうちの青龍とその上の日（太陽）、女子群像が描かれ、西壁にはこれと対称的に、手前から男子群像、四神のうちの白虎とその上の月、女子群像が描かれている。男子・女子の群像はいずれも4人一組で、計16人の人物が描かれている。中でも西壁の女子群像は（壁画発見当初は）色彩鮮やかで、歴史の教科書をはじめさまざまな場所でカラー写真が紹介され、「飛鳥美人」のニックネームで親しまれている。人物群像の持ち物が『貞観（じょうがん）儀式』にみられる元日朝賀の儀式に列する舎人（とねり）ら官人の持ち物と一致する。この元日朝賀の儀式には日月・四神の幡も立てられる。