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La iglesia se proyectó como un templo de planta de cruz latina, con un solo tramo de tres naves, transepto marcado en planta y cabecera de tres ábsides precedidos de tramo recto (el central, semicircular, y los laterales con combinación de formas curvas y rectas). Los hemiciclos de estas capillas se cubren con bóveda de cascarón, aunque el de la mayor muestra nervios de refuerzo; los tramos rectos llevan bóveda de cañón apuntado. El transepto, de cinco tramos, se cubre con bóvedas de crucería simple, y se añaden, a las de la nave, ligaduras longitudinales y transversales. En el tramo central de la nave se levanta un coro alto, al que se accede desde el claustro contiguo a través de un alfarje de madera policromada.
En el exterior, destaca sobre el resto del edificio la imponente cabecera, con el ábside central recorrido por columnas a modo de contrafuertes y articulado con arcos ciegos.

Aunque la historiografía señala que las obras del templo comenzaron antes de morir Juan de Ortega (1163), el análisis arquitectónico y escultórico de la cabecera lleva a fecharla hacia 1200, lo mismo que las partes bajas del transepto y el inicio de las naves. En este punto, los trabajos quedaron interrumpidos y el transepto, con su abovedamiento, se concluyó a lo largo del siglo XIII. Finalmente, y tras otra larga detención de las obras, el conjunto se remató a mediados del XV con el tramo de naves, coro y fachada occidental, en los que interviene el cantero Pedro Fernández de Ampuero. Este último impulso recibió la subvención de los obispos de Burgos Pablo de Santamaría y Alonso de Cartagena, cuyas armas aparecen en las claves de las bóvedas de esta zona y en la puerta principal de la iglesia. Los escudos encastrados en los pilares que flanquean la capilla mayor pertenecen a las familias Avellaneda y Rojas (s.XVI). El frontón y la espadaña de la fachada se añadieron en el siglo XVII.

En el interior de la iglesia merecen destacarse algunos capiteles, como el de la lucha de caballeros y, sobre todo, el triple capitel de la Natividad. Hay que prestar especial atención a los dos sepulcros del santo, el sarcófago románico instalado en la cripta y el baldaquino gótico situado en el crucero. Asimismo, no hay que perder de vista el retablo de San Jerónimo, en el extremo meridional del transepto, ni el del Juicio Final, en la capilla del lado del evangelio