Está situada en la plataforma superior del castillo de Loarre, en la zona que corresponde al recinto original de Sancho el Mayor, al suroeste del conjunto.

La iglesia románica de Santa María está realizada en sillares de piedra, entre los que destaca uno grabado con el año 1095, posiblemente año en el que se inició su construcción.

Presenta una estructura sencilla y se articula en dos niveles para salvar el gran desnivel que sufría el terreno. De una sola nave y ábside semicircular cubierto con una bóveda de cuarto de esfera, el tramo anterior al presbiterio se cubre con una cúpula sobre trompas; de las columnas que componen este espacio sobresale la talla de sus capiteles con una gran variedad iconográfica medieval.

La nave se cubría con una techumbre plana de madera hasta que fue sustituida por una bóveda de cañón.

Al exterior se revela como una construcción modesta realizada con los materiales y el sistema castrense. La portada principal, en el muro norte, abre en arco de medio punto sobre el que se sitúa un arco de descarga. La iluminación la recibe a través de vanos en arco de medio punto con arcos de descarga y doble derrame practicados en los muros norte y sur.