La iglesia de Santa María la Mayor, paradigma del gótico levantino en tierras turolenses, presenta nave única con capillas entre los contrafuertes, y ábside poligonal de siete lados, también dotado de capillas entre los contrafuerte

La nave es rectangular y se divide en tres tramos, asimismo rectangulares, por arcos perpiaños apuntados que apoyan en medias columnas adosadas al muro, coincidentes con los contrafuertes exteriores.

Situadas a ambos lados de cada uno de los tramos de la nave, hallamos las seis capillas entre contrafuertes; así la primera se sitúa en el lado de la Epístola del primer tramo, a los pies del templo, de la nave y presenta planta rectangular que pasa a hexagonal en alzado por medio de dos trompas de ángulo; la segunda, situada en el primer tramo de la nave pero en el lado del Evangelio, dispone de forma hexagonal tanto en planta como en alzado; al segundo tramo de la nave, abre en el lado del Evangelio una capilla de planta rectangular y no acusada al exterior, que posee una menor anchura que el tramo, ya que entre ésta y el contrafuerte se emplaza la escalera helicoidal de acceso a la tribuna; en el lado de la Epístola de este segundo tramo se localiza la portada meridional; al tercer tramo abren sendas capillas hexagonales, de las que encima de  la situada en el lado del Evangelio se localiza a tribuna, de planta rectangular y cubierta con bóveda de crucería sencilla..

La cabecera presenta presbiterio rectangular, ábside poligonal de siete lados y tres capillas entre contrafuertes. Estas capillas se localizan en los lados pares del ábside, de manera radial,  y poseen planta pentagonal.

Toda la iglesia se cubre con bóvedas de crucería sencilla, cuyos nervios confluyen en decoradas claves.

La decoración del interior del templo se concentra en las ménsulas y claves, entre las que destacan las conservadas en la tribuna, con sus magníficas representaciones humanas, en la actualidad mutiladas.

La iluminación natural de la parroquial se realiza a través de las tres ventanas situadas en el ábside- en origen eran siete, aunque actualmente hay cuatro cegadas- , de las dos ventanas localizadas en la pared de separación entre el tramo de los pies del intermedio, y de tres rosetones, emplazados sobre la portada, el más impresionante, sobre el primer tramo del lado de la Epístola y sobre la portada de los pies del templo.

El acceso al templo se podía realizar, en origen, por dos lugares, o bien por la impresionante portada meridional, a la que más tarde haremos referencia, y por la portada oeste, a los pies del templo, cegada en la restauración de 1965-1966.

Al exterior se observa la construcción de cantería del templo y de su tejado, a doble vertiente, y también realizado en piedra.  Del exterior destacan dos elementos: la soberbia portada sur y la torre campanario.

La portada meridional se halla formada por once arquivoltas en arco apuntado abocinadas, coronada por un gablete poco apuntado en el que se halla la escultura del Pantócrator. Sobre la portada se dispone el magnífico rosetón de tracería calada ya comentado anteriormente.  La decoración de está portada se concentra en los capiteles en friso corrido y en los grupos escultóricos de los contrafuertes. En los capiteles del lado izquierdo se desarrolla la historia de Noé entremezclada con motivos vegetales, mientras en los de la derecha aparece la Trinidad- representada por tres personajes separados- inspirando a los diecisiete profetas del Antiguo Testamento- representados por diecisiete personajes que se hallan escribiendo en libros-. Los dos grupos escultóricos de los contrafuertes presentan una disposición idéntica, muy similar a la de una ventana o fondo de arquerías ciegas, coronadas por un gablete, en el que se instalan las escenas de la “Huida a Egipto”, en el de la izquierda, y “El Sueño de San José”, en el de la derecha. Los grupos escultóricos se hallan integrados por dos esculturas, casi de tamaño natural,  cada uno: en el de la izquierda aparece una figura masculina portando un cofrecillo y un ángel sosteniendo un mensaje u oración; en el de la derecha, aparece otro nuevo personaje masculino sujetando un cofrecillo y una figura femenina. En estos dos grupos se representan la escena de la Anunciación- el ángel Gabriel, a la izquierda, leyendo al Buena Nueva a la Virgen María, a la derecha- y a los donantes u oferentes- personajes masculinos sujetando cofrecillos- de la obra de la parroquial: el pueblo de Valderrobres. Además, las cuatro figuras de estos dos grupos escultóricos, se apoyan sobre figuras más pequeñas de aniumales, lo que ha hecho pensar al estudioso Manuel Ciurana en estar ante la representación del Tetramorfos.

Sobre la portada encontramos un friso de canecillos, con decoración de cabezas humanas y animales, que recorre todo el perímetro exterior de la iglesia.