Su cabecera está constituida por un ábside poligonal de siete lados, sin contrafuertes exteriores, aunque ha sido reforzado el grosor del muro en esta parte adosándole un segundo muro original. Se cubre con bóveda de crucería radial que se une en una clave cilíndrica. Dichos nervios tienen sección de triple bocel y apoyan en ménsulas, a cuya altura una imposta recorre toda la iglesia por encima de las capillas laterales. Tres vanos iluminan el interior siendo más rico el correspondiente al paño central cuyo arco apuntado va doblado, mientras que los otros dos abren en arco de medio punto. La decoración pintada simula el aparejo de ladrillo al igual que en la nave.
Tiene una única nave, que consta de tres tramos rectangulares oblongos, cubiertos con bóveda de crucería sencilla de nervios diagonales, también en sección de triple bocel que apoyan en ménsulas a la altura de la imposta que recorre la iglesia. Cada tramo tiene capillas laterales entre los contrafuertes, que se cubren con bóveda de cañón apuntado en sentido transversal a la nave. Las capillas situadas a ambos lados del presbiterio, en el primer tramo, fueron sustituidas por otras posteriores, de época barroca.
En el tramo de los pies encontramos un coro alto decorado por un alfarje de madera de calidad excepcional.
Las capillas del primer tramo se ubican a ambos lados del primer tramo de la nave adyacente al presbiterio. Se cubren con cúpulas decoradas con yeserías de lazo mudéjar de las más antiguas documentadas. La capilla de la derecha dedicada a la Inmaculada Concepción; la capilla de la izquierda, dedicada a San Miguel.
La fachada occidental presenta una portada en piedra sillar de estilo gótico y aparece flanqueada por dos contrafuertes, dispuestos en ángulo y de escaso resalte, rematados en pináculos. La puerta es abocinada en arco apuntado, con arquivoltas formadas con cuatro finos baquetones que se prolongan a lo largo de las jambas. El tímpano queda cerrado en su base por un arco carpanel. A pesar de que ha desaparecido la decoración tallada de este tímpano, todavía se conserva bajo el gablete que remata la puerta, dentro de una hornacina, una talla de la Virgen con el Niño de comienzos del s. XV.
A fin de proteger la fachada de la lluvia se realizó un enorme rafe de madera con decoración mudéjar, obra de Yuçaf Adolmalih, el mismo maestro moro que realizó la techumbre del coro y la de la capilla lateral derecha que originalmente pudo ser un pórtico, como acusan los arcos exteriores en el muro cegados.
Por encima de este gran alero, dos series superpuestas de sencillos vanos con arcos ligeramente apuntados.
Esta iglesia mudéjar de Santa María, al igual que sucede con las de las Santas Justa y Rufina y San Miguel, adquiere especial singularidad diferenciadora con el resto del mudéjar aragonés debido a los materiales utilizados, en su mayor parte argamasa o mortero de yeso obtenido directamente del terreno característico del valle del Jiloca y también a la calidad excepcional de determinados elementos de carpintería mudéjar y a la existencia de las lacerías barroco-mudéjares más antiguas entre las datadas con precisión documental hasta el momento.
Al exterior, el edificio forma un volumen sobrio, de carácter pesado en el que observamos la influencia de la arquitectura militar musulmana.
Las capillas dedicadas a la Inmaculada Concepción y a San Miguel, presentan cúpulas relacionadas formalmente con una del monasterio de San Benito de Calatayud y con otra de la desaparecida iglesia de San Clemente, por lo que debe pensarse que sus arquitectos difundieron en la zona de Calatayud la moda zaragozana de decoración de bóvedas con yeserías de lazo.