El edificio de la iglesia sigue el modelo cisterciense con tres naves alargadas, más la nave del crucero, que en este caso tiene un muro de separación con el resto de la iglesia debido a la condición de clausura. Se aparta de la severidad del cisterciense en lo referente a la ornamentación arquitectónica, con elementos muy particulares que demuestran la influencia francesa, como en las bóvedas angevinas de planta cuadrada achaflanada y en las columnillas voladas sobre repisa. Se cree que la reina Leonor mandó traer desde Angers a alguno de los arquitectos. Este tipo de arquitectura creó escuela en la comarca burgalesa y la imitaron en la cabecera de la catedral de Burgos, en la de la catedral de El Burgo de Osma, en Sasamón y otras.
Posee un transepto (nave crucero) que destaca en planta y alzado y que, en este caso, tiene un muro de separación con el resto de la iglesia debido a la condición de clausura.
A él se abren los cinco ábsides de la cabecera que forman capillas cuadrangulares alineadas y de testero recto, a excepción de la capilla central con un ábside más profundo que los laterales, con un tramo recto, ocupado por el coro de capellanes, y un testero ochavado (poligonal).
A los pies de la nave se alza la capilla funeraria de doña Ana de Austria, hija de don Juan de Austria, construida a comienzos del siglo XVII.

La fachada septentrional está formada por 19 arcos apuntados, dispuestos de dos en dos entre recios contrafuertes. En la pared del brazo del crucero se abre un rosetón.

En el interior destaca la bóveda angevina del crucero, de planta cuadrada, con ocho arcos formeros, dos diagonales y otros dos en los ejes, que componen la bóveda sexpartita cupuliforme. Las capillas absidiales que están pegadas a la mayor también responden al estilo angevino. Se cree que esta obra se hizo entre 1180 y 1215 con artistas de la reina Leonor, mientras que el resto fue de 1215 a 1220 con los maestros franceses de Fernando III el Santo.

En el presbiterio se contempla el gran retablo del siglo XVIII, obra del arquitecto Policarpo de Lanestosa, el escultor Juan de Pobes y el dorador Pedro Guillén. Adornado con columnas salomónicas, tiene en su parte central la imagen de la Asunción y en el ático el Calvario cobijado en una concha muy adornada con numerosos ángeles músicos. Sobre el muro de la Epístola (muro sur) está el órgano barroco. El púlpito es de hierro forjado y está montado sobre un soporte que le permitía girar de manera que las monjas pudieran escuchar mejor al predicador desde la clausura.

En las naves longitudinales de lo que fue la clausura se encuentran los numerosos sepulcros de infantes y reyes. Alfonso VIII quiso hacer de esta iglesia un panteón real. Se han podido conservar muchos de estos ricos enterramientos y muchos otros se perdieron en expolios, guerras y barbarie.