La Cámara Santa está formada por dos naves sobrepuestas. El piso inferior, dónde está la cripta de Santa Leocadia, corresponde a la época prerrománica. Es uno de los pocos restos que quedan en pie del antiguo palacio de Alfonso II. El piso superior responde a una remodelación realizada en el siglo XII.

En la cripta podemos encontrar los restos de Santa Leocadia y los de otros mártires en dos sarcófagos visigodos. Están decorados con motivos vegetales, entre ellos el Árbol de la Vida. Se trata de una nave estrecha y de forma rectangular cubierta con bóveda de cañón.

En la planta superior, también conocida como capilla de San Miguel, encontramos una sala rectangular cubierta con bóveda de cañón, reforzada por arcos fajones.

Estos descansan en unos capiteles decorados con escenas del Nuevo Testamento y de la lucha entre el bien y el mal. Los capiteles se apoyan en unas columnas adosadas a los muros en las que están esculpidas las imágenes de los Apóstoles. Fueron donados por Alfons VI a la catedral. Sobre unos pedestales podemos encontrar a los seguidores de Cristo esculpidos por parejas.

Los Apóstoles y la bóveda de cañón fueron añadidas en el siglo XII para ennoblecer la capilla destinada a custodiar las reliquias de la catedral , ya que que originariamente estaba cubierta con madera. Por encima de los Apóstoles encontramos unos capiteles bellamente tallados donde se observan hojas de acanto, jinetes persiguiendo a leones, un hombre luchando contra un oso, la caza de un jabalí, las Tres Marías delante del sepulcro de Cristo, la Sagrada Familia, la Anunciación, las nupcias de Maria y también a Jesús en el limbo. 

Entre los tesoros que acoge la Cámara encontramos la Cruz de los Ángeles, encargada por Alfonso II en el año 808, está chapada en oro y recubierta de pedrería. Tiene forma de cruz griega y a sus pies encontramos unos ángeles rezando. Esta cruz la podemos encontrar en el escudo de la catedral y en el de la ciudad de Oviedo.

También destaca la Cruz de la Victoria. Tiene forma de cruz latina y según la tradición la llevó Don Pelayo a la batalla de Covadonga. Posteriormente Alfonso III la hizo recubrir de piedras preciosas en el año 908.

El Arca Santa es un cofre de madera de cedro recubierta de plata finamente esculpida. Según la tradición procede de Jerusalén, donde se guardaban reliquias de Jesús y Maria. El arca fue trasladada a Alejandría, posteriormente a Toledo y finalmente a Oviedo, en época de Alfonso II, para protegerla de los ataques musulmanes. En el año 1113 Alfonso VI la hizo recubrir de plata y hizo inventario del material. Se encontró un fragmento de la Santa Cruz, un trozo de un vestido de Jesús, un fragmento de pan de la última cena, una sandalia de San Pedro y un fragmento del Santo Sudario.

También se conserva la conocida Arca de las Ágatas. Fue donada por el príncipe Fruela II y su esposa Nunilo en el año 910. Está hecha con oro, en el que se colocaron finas capas de ágata de diferentes dimensiones y otras piedras preciosas.

Otros tesoros son el Cristo de Nicodemo, un díptico románico y el Libro de los Testamentos, todos ellos del siglo XII.

Sobre la puerta de acceso a la cámara podemos ver tres cabezas esculpidas que pertenecen a Cristo, la Virgen Maria y San Juan. Forman un calvario, donde los cuerpos de las imágenes estaban pintados en la pared.