Sobre la iglesia mozárabe se construyó una de nueva por orden del rey Sancho Ramírez. El 4 de diciembre de 1049 fue consagrada. Los ábsides están excavados directamente en la roca.

Tienen forma semicircular decorados con una bella arqueria ciega. Los arcos se apoyan en capiteles, muy deteriorados, pero esculpidos con motivos geométricos. La mayoría de columnas han sido reconstruidas. Por encima de los arcos se puede ver una moldura decorada con un ajedrezado. Este es diferente al habitual, ya que tiene seis hileras en lugar de tres.

Los tres ábsides se unen a la nave a través de tres tramos presbiterials cubiertos con bóveda de cañón. En este punto se comunican los ábsides a través de unos sencillos arcos de medio punto.

Pese a tener una triple cabecera, el templo tiene una única nave. La bóveda del primer tramo la forma la propia roca bajo la que está edificado el monasterio. Los otros tres tramos están cubiertos con bóveda de cañón, reforzada con arcos torales.

El muro que hay a los pies de la nave ha sido profundamente reconstruido. Fruto de esta reconstrucción se crearon las tres ventanas superiores actuales y se rehizo la gran arcada, a la que se le añadió un crismón. Esta arcada se cree que era la puerta principal del templo y no una ventana como en la actualidad. Daba acceso a unos aposentos monásticos hoy desaparecidas.

El muro del lado derecho del templo contiene fragmentos de la iglesia consagrada el año 1025. En él podemos ver unos arcos ciegos de medio punto y una imposta decorada con un ajedrezado muy arcaico. En este muro también podemos encontrar una puerta con arco de herradura dovelado de estilo mozárabe. Comunica el templo con el claustro. En la parte exterior se puede leer una inscripción que dice: "Por esta puerta se abre el camino del Cielo a los fieles + que unan la fe con el cumplimiento de los mandamientos de Dios"

En el otro extremo del templo encontramos la puerta que nos conduce al panteón de los nobles. Se trata de una puerta formada por dos sencillos arcos de medio punto.

En el ábside principal, sobre el altar, se halla una réplica del Santo Grial que se conserva en la Catedral de Valencia. Según la tradición es el cáliz con que Cristo celebró la Última Cena y que estuvo custodiado un tiempo entre estos muros.