La chiesa di Santa Maria presenta al suo interno un'area cimiteriale distribuita al di sopra del banco roccioso caratterizzato da forti irregolarità, sfruttate per la realizzazione delle sepolture. Le tombe presentano un duplice orientamento, in senso E-O oppure N-S e sono del tipo a fossa oppure del tipo a cassa litica, con le pareti costituite da lastre e filari di blocchetti calcarei. In mancanza di elementi di corredo, è possibile proporre un inquadramento cronologico di massima delle sepolture in un arco cronologico compreso tra XII e XV secolo. I saggi di scavo condotti nell'area antistante la chiesa hanno appurato l'esistenza di un più vasto e antico edificio, probabilmente adibito al culto, corrispondente all'ambiente parzialmente interrato, costruito ad una quota notevolmente inferiore rispetto all'attuale. In quest'area esterna sono state inoltre messe in luce varie tombe, a semplice fossa oppure con le pareti costituite da muretti in pietra, che hanno restituito i resti delle deposizioni, talvolta singole, talvolta plurime, e pochi elementi di corredo.

Gli affreschi Entrambi i vani della chiesa presentano tracce di affreschi. Gli affreschi del vano A si dispongono prevalentemente sul muro settentrionale e su quello orientale; sul pilastro accanto al passaggio del vano B permangono tracce poco leggibili di affreschi riferibili, forse, ad un santo benedicente. Sul muro settentrionale si distinguono cinque pannelli e si individuano: la Santa Lucia, riconoscibile grazie agli attributi iconografici degli occhi, e un Santo vescovo identificato di volta in volta come S. Nicola o San Ludovico di Tolosa, anche se le più recenti interpretazioni trovano relazioni iconografiche con i santi Donato o Felice. Oltre questi affreschi, probabilmente eseguiti da mani differenti, due Vergini in trono e due santi. La prima Vergine sarebbe da identificare come una Glykophilousa, la Vergine della Tenerezza, mentre l'altra è una Vergine Odighitria. Nella zona presbiteriale si apre una cappella, nella quale è stata rinvenuta durante i restauri in un sottarco, l'immagine di S. Michele Sauroctonos, con ali spiegate, lancia, globo e drago trafitto ai suoi piedi. Sul muro orientale l'unico affresco raffigura S. Antonio Abate riconoscibile attraverso gli attributi iconografici della campanella e del maialino con la coda riccioluta che lo accompagna. Essendo il casale di Balsignano posto sul ciglio di una lama, la chiesa di S. Maria si attesta proprio a cavallo di un salto di quota nella roccia: l'ambiente B è impostato ad una quota notevolmente inferiore rispetto al vano A e presenta un'abside sulla parete più lunga, ad est. Gli affreschi del vano B sono molto deteriorati e gli unici leggibili sono quelli presenti nell'abside e il Santo Vescovo accanto al passaggio nell'ambiente adiacente. Gli affreschi dell'abside sono databili tutti al 1300, realizzati con ogni probabilità da un Maestro di una certa levatura culturale che aveva maturato esperienze anche internazionali in area mediterranea. Le pitture si dispongono su tre ordini: in alto un Cristo in Trono in una mandorla sorretta da Serafini; al centro una Madonna in Trono con Santi; in basso una teoria di Apostoli ritratti a figura intera, infine sull'arcone un volto con copricapo a cono, tipicamente ebraico. Dai recenti restauri del 2014 è emerso quanto rimane di una splendida Crocifissione, purtroppo profondamente alterata, coeva alle pitture dell'abside. Sul muro a sud gran parte delle pitture sono ormai illeggibili e si distinguono unicamente le incisioni delle aureole dei santi.