En el siglo XI se construye la iglesia baja o cripta de la Virgen del Perdón, base de la iglesia alta levantada en el siglo XII. Ésta última presenta importantes trabajos de escultura en los capiteles y pinturas murales góticas en los muros absidiales.

Construida en estilo románico, consta de tres naves y tres ábsides. Las naves se cubren con bóveda de arista, el falso crucero con crucería sencilla y los ábsides con bóveda de horno. Asimismo presenta capiteles tallados y restos de pinturas murales en la cabecera.

Durante el siglo XVI se amplió el conjunto, añadiéndose capillas laterales cubiertas con crucería estrellada en ambas iglesias y construyéndose en la superior el coro alto a los pies, la sacristía, la sala capitular y el archivo, además de un pórtico para cobijar la magnífica portada románica del lado septentrional y abrir otra de estilo renacentista en el lado meridional.

La fábrica combina el sillar con el ladrillo empleado en la ampliación renacentista.

En el conjunto de San Esteban de Sos se observan ciertos paralelismos con el castillo de Loarre: ambos se edifican en los más alto de la población, junto al castrum, del que en el caso que nos ocupa tan solo ha subsistido una torre, a la que se adosa la iglesia de San Esteban; además ambos cuentan con una doble estructura de iglesia baja e iglesia superior, cuyos ábsides remontan el escarpe rocoso, cerrando el paso al castrum militar; y en ambos existe una galería o pasadizo de acceso tanto a la iglesia baja y superior y a la ciudadela o castrum.

Asimismo se relaciona con la iglesia del monasterio de Leyre (Navarra), ya que en ambas, además de algunas similitudes estructurales (doble estructura de iglesias superpuestas, presencia de arcos fajones de medio punto, número de tramos...), encontramos conexiones en los temas iconográficos esculpidos en los capiteles.