La iglesia de Santa María, que se encuentra muy restaurada y parcialmente reconstruida, es el edificio más interesante del conjunto monástico de Obarra. Se encuentra en la zona central del monasterio. Es un edificio de tres naves de desigual anchura y altura, con ábsides semicirculares, también desiguales, orientados al este; en la parte central del lado sur presenta un cuerpo cuadrangular adosado, correspondiente a la base de una torre que parece haber quedado inacabada.
Está construida en sillarejo no excesivamente desbastado, dispuesto en hiladas uniformes.
Al exterior destaca especialmente la decoración de carácter lombardo tanto de los ábsides cuanto de la zona de remate de los laterales de la iglesia.
Los ábsides presentan varios vanos de pequeño tamaño, abriéndose dos en cada uno de los laterales y tres en el central, que además son doblados.
El ábside central está rematado por una hilera decorativa de rombos o losanges, a modo de friso (esta decoración es producto de una de las restauraciones del monumento, pues en fotografías antiguas muestra una hilera decorativa en diente de sierra similar a la de los ábsides laterales); bajo él hay una sucesión de nichos coronados por arcos de medio punto; cada cuatro nichos se dispone una lesena vertical en resalte que desciende hasta el suelo.
En los ábsides laterales la decoración tiene menor volumen, limitándose a una hilera de arquillos ciegos con lesenas, y remate con un friso compuesto por piezas dispuestas en diente de sierra.
La misma decoración se prolonga en los muros laterales de las naves, con arcuaciones ciegas desarrolladas de forma continua en la nave central y en series de cinco entre lesenas en las laterales. Bajo ellas se abren también varios vanos en arco de medio punto de tamaño relativamente reducido.
Por último, en el exterior destacan dos puertas, una románica y la segunda correspondiente a la ampliación del siglo XVI, situadas en los dos últimos tramos del muro sur.
La puerta románica, de pequeñas dimensiones, es en arco de medio punto y está enmarcada por una arquivolta muy saliente. Lo más destacado son los capiteles que la flanquean, con unos relieves de motivos vegetales de factura muy primitiva que algunos autores (Iglesias Costa) han considerado como procedentes de algún edificio desaparecido. Ambos presentan una decoración esquemática, con palmetas y vástagos con ramificaciones, cuya estética y técnica recuerdan obras del mundo visigodo.
La puerta del siglo XVI es de mayores dimensiones. También tiene arco de medio punto, de dovelas estrechas y muy largas, en cuya clave está esculpido en relieve el escudo de la familia Mur; sobre ella, encastrada en la fachada, hay una pieza de piedra con un torreón tallado en relieve.
Hay además otras dos puertas en el lado norte. Ambas son en arco de medio punto y conducirían al claustro y al cementerio respectivamente.
El interior del edificio corresponde a una iglesia de planta basilical de tres naves, separadas por pilares cruciformes compuestos que soportan su peculiar sistema de bóvedas y definen siete tramos de nave. El nivel del pavimento del primer tramo de las naves está realzado mediante un desnivel de tres escalones, que conforman un espacio presbiterial al cual se abren directamente, sin arcos de transición, tres ábsides semicirculares correspondientes a cada una de las naves.
Las naves, separadas por gruesos pilares cruciformes, presentan diferentes sistemas de cubrición en sus distintos tramos. La nave de la Epístola está totalmente cubierta por bóvedas de arista. En la central, solo los tres primeros tramos tienen bóvedas de arista, mientras que los restantes son de medio cañón. En la del lado del Evangelio hay cuatro tramos con bóveda de arista, siendo de cañón los tres más próximos a los pies. En cualquier caso, los tramos más próximos a los pies se encuentran totalmente rehechos.
El ábside central presenta una interesante decoración con una arquería ciega de medio punto, con la particularidad de que uno de los huecos tiene un vano geminado, cuyo apeo central es una imposta volada. Los arcos apean en medias columnas con capiteles que presentan decoración en bajorrelieve, con volutas y otros elementos esquemáticos cuya factura recuerda a los capiteles de la portada románica del lado sur. Sobre la arquería se abren los vanos de medio punto ya mencionados en la descripción del exterior, que presentan doble derrame y están realzados por una arquivolta.