La iglesia de San Juan Bautista se alza en la parte más elevada de Valdeolmillos, dominando el caserío y el paisaje agrícola del entorno. El edificio conserva elementos esenciales de su fábrica románica del siglo XII, entre ellos la nave, el presbiterio y la portada original, situada en el costado sur. Esta estructura primitiva, propia de la escuela palentina, se organiza mediante una nave única dividida en tres tramos por arcos fajones, contrarrestados al exterior por contrafuertes. La cubierta es de cañón apuntado, mientras que el ábside semicircular combina una bóveda de medio cañón en el tramo recto con otra de horno en el hemiciclo.
El acceso al presbiterio se realiza a través de un arco triunfal doblado, apoyado en columnas adosadas cuyos capiteles muestran decoración historiada. El ábside presenta cuatro contrafuertes radiales y tres vanos que aportan iluminación directa. En el exterior se conserva una imposta jaqueada en el paramento interior y lisa en el exterior, característica del románico local.
En el siglo XV se añadió el coro elevado a los pies de la nave, dotado de una balaustrada con bolas tardogóticas. El sotocoro se cubre con un techo de madera y se delimita mediante un arco rebajado. Durante el siglo XVII, el templo se amplió hacia el sur con capillas, dependencias y sacristía, completando su configuración actual. En la cabecera destaca la espadaña de dos cuerpos, con troneras semicirculares y remate triangular con pirámides y bolas. La iglesia conserva, además, una pila bautismal fechada en 1798 y fue declarada Bien de Interés Cultural en 1982.
