La chiesa, ubicata in una piccola piazza entro la cinta muraria, è dedicata ai martiri S. Apollinare e S. Cristoforo, di origine molto antica e di struttura romanica. Più volte rimaneggiata, la facciata in stile romanico, mancante del rosone centrale, ancora evidenzia le tre arcate di cui è formato l'interno. Degli antichi quadri ed arredi rimane soltanto la tavola, un tempo sull'altare maggiore, in cui è dipinta la Madonna con i due santi titolari della chiesa, S. Apollinare e S. Cristoforo, opera del pittore Francesco Zagarelli (1470-1531), della scuola del Giambellino. E' rimasto anche un crocifisso ligneo risalente ai primi del 1400, scolpito da Antonio di Buonvicino o Bonverin e dipinto dal veneziano Iacobello del Fiore, come si legge nella targhetta inchiodata alla base in cui sono scritti i nomi degli autori.
Al crocifisso vengono attribuiti numerosi miracoli, il più famoso dei quali è quello avvenuto il 6 maggio 1517, quando gli abitanti del castello trascorsero tutta la notte in chiesa, perché minacciati di saccheggio dalle truppe di Lorenzo dei Medici, messe allo sbaraglio da Francesco Maria I Della Rovere che le aveva sconfitte per riconquistare il Ducato di Urbino. Essendo stati salvati da quel pericolo mortale, gli abitanti di Casteldimezzo realizzarono, a memoria dell’evento, dapprima una cappella, poi, dopo il crollo di questa per un terremoto, una lapide ancora oggi visibile. La chiesa divenne ben presto meta di pellegrinaggio per molti fedeli, tanto che nel 1782 il Papa Pio VI concesse l’indulgenza plenaria a chi la visitasse in qualsiasi giorno dell’anno.