Die Kirche selbst entstand Anfang des 14. Jahrhunderts und gehört zum Typ der norddeutschen „chorlosen“ Hallenkirche, deren ältestes erhaltenes Beispiel die Rostocker Nikolaikirche ist. Charakteristisch für diesen Kirchentyp ist die gerade verlaufende Ostmauer als Abschluss des gesamten Baus. Es fehlt der etwas schmalere oder auch mehrseitige Chor als Standort des Hauptaltars. Dieser dürfte einst im östlichen Bereich des Mittelschiffs gestanden haben, das etwas breiter ist als die beiden Seitenschiffe. Im Inneren war der Hauptaltar gegen den übrigen Kirchenraum gewöhnlich durch Trennwände abgegrenzt.

Die Sternberger Kirche war nach einer 1492 angeblich erfolgten Hostienschändung und einer sich anschließenden Judenverfolgung bis 1533 eine Wallfahrtskirche europäischen Ranges. Eigens für die Pilger entstand damals  die Heiligen-Blut-Kapelle, die ab 1885 als Taufkapelle genutzt wurde. Heute erinnert die 1992 geschaffene Plastik „Stigma“ an die mittelalterlichen Geschehnisse, die die Ausweisung aller Juden aus Mecklenburg zur Folge hatten.

Aus den Anfangsjahren sind im Inneren die 1895 entdeckten ornamentalen und figürlichen Malereien erhalten, unter anderem eine Darstellung des Weltgerichts und  einer Kreuzigungsszene. Sie wurden restauriert und zählen zu den bedeutendsten Architekturmalereien des frühen 14. Jahrhunderts  in Norddeutschland. Die meisten barocken Ausstattungsstücke mussten im Zuge dieser neugotischen Umgestaltung weichen. Geplant wurde die Restaurierung und Umgestaltung durch den damals sehr bekannten Mecklenburger Baurat Gustav Ludwig Möckel aus Doberan. So orientiert sich der neugotische Altaraufsatz  am Hochaltar des Doberaner Münsters aus den Jahren um 1320. Auch Kanzel und Taufstein wurden neu angefertigt, ebenso das Gestühl sowie Buntglasfenster. Der große Barockaltar und die Kanzel  von 1747 wurden zum Ärger der „Denkmäler-Commission“ abgebaut und erhielten auf deren Intervention hin zumindest einen Platz in der Kapellenvorhalle. 1970 kamen sie in die Dorfkirche Eldena bei Ludwigslust.

Die Sternberger Orgel wurde 1895 in der international renommierten Werkstatt von Eberhard Friedrich Walcker & Co. in Ludwigsburg gebaut, die unter anderem auch für den Petersdom arbeitete. Möglich war die Anschaffung eines so teuren Instruments nur durch eine Stiftung des Musikverlegers und Musikinstrumentenhändlers Julius Heinrich Zimmermann aus Leipzig, der aus Sternberg stammte. 1990/91 wurde die stark verschlissene Orgel restauriert.

Die älteste erhaltene Glocke der Sternberger Kirche stammt aus dem Jahr 1750. 1659 und 1741 waren die Glocken zusammen mit Teilen des Turms Stadtbränden zum Opfer gefallen und wurden durch vier Glocken der Jahre 1750, 1754 und 1767 ersetzt. Bis heute erhalten ist lediglich die Glocke von 1750 mit einem Durchmesser von 91,5 Zentimetern und einem Gewicht von etwa 400 Kilogramm. Die anderen wurden im Zweiten Weltkrieg eingeschmolzen. 1971 kam eine in Apolda neu gegossene Bronzeglocke hinzu.