Se desconoce cuáles son los orígenes de esta peculiar construcción, pues las primeras noticias que nos han llegado datan de 1136, cuando existía una comunidad monástica mozárabe alrededor de una gruta dedicada a San Baudelio, un mártir del siglo IV, de tiempos visigodos. 

El templo se levantó sobre la gruta, que en su tiempo sirvió por alojar a un ermitaño y que tiene al lado un manantial de agua.  Está formada por dos módulos de planta rectangular. El más pequeño aloja el presbiterio, mientras que el grande corresponde a la nave del templo. Los dos espacios se unen a través de un arco de herradura de tipo califal y decorado con pinturas murales.

Nada más entrar en el templo, el visitante tiene la sensación de estar pisando un lugar único. Lamentablemente en 1922 se arrancaron gran parte de las pinturas murales que lo decoraban completamente.

La nave está cubierta con una bóveda que se apoya en ocho arcos que van a parar a una columna central, que tiene la apariencia de una palmera, de clara influencia islámica. La palmera era considerada un árbol místico, que unía el mundo terrenal con el celestial.

En la parte superior de la columna se abren ocho pequeñas ventanas en forma de arco de herradura, que permiten iluminar la cámara secreta. Es un habitáculo de pequeñas dimensiones cubierto con un cúpula formada con ocho nervios entrecruzados, que nos recuerda al mihrab de la mezquita de Córdoba

A los pies de la nave encontramos otro elemento característico del templo y de clara inspiración islámica. Se trata de una tribuna elevada a la que se accede directamente desde el exterior y a través de una escalera adosada en el muro este. La tribuna se sustenta en dieciocho columnas, que se unen entre si mediante arcos  de herradura. El espacio resultante nos recuerda a una pequeña mezquita de cinco naves, datada a mediados del siglo XI.

Desde la parte baja de la tribuna podemos acceder a la gruta natural, que como ya hemos comentado fue el origen del templo.

A parte de su peculiar arquitectura, el templo de San Baudelio destaca por sus maravillosas pinturas murales. Fueron realizadas a finales del siglo XII o principios del XIII. Lamentablemente gran parte de ellas fueron arrancadas el año 1922. Después de varios litigios, que intentaron impedir la marcha de estas obras de arte, en el año 1926 fueron trasladadas definitivamente a varios museos de los Estados Unidos. En 1957 el gobierno español intercambió algunas de estas pinturas por las del ábside de la iglesia románica de San Martín de Fuentidueña, en Segovia. Actualmente estos fragmentos se conservan en el Museo del Prado. En 1919 Manuel Gómez Moreno publicó un libro titulado "Iglesias Mozárabes" donde se pueden ver la totalidad de las pinturas en su ubicación original. A pesar de todo, en algunos casos, todavía podemos ver las marcas de las pinturas in situ, lo que nos permite hacernos una idea de cómo eran, cuando visitamos el templo.

Son diversos los estudios que se han hecho sobre la datación y el estilo de las pinturas que decoraban totalmente el interior del templo. La mayoría de estudiosos están de acuerdo con que estas fueron realizadas por dos o tres maestros diferentes. Dónde no hay tanta unanimidad es a la hora de definir cuando fueron pintadas. Unas fuentes afirman que las primeras pinturas, de las que quedan pocas muestras, fueron realizadas en época mozárabe y el resto en época románica, mientras que otros estudiosos se inclinan por que todas son románicas.

Todo el templo estaba decorado, incluso la bóveda. En ella se representaron varias escenas de la infancia de Jesús, que desgraciadamente casi no nos han llegado. En el ángulo noroeste se representaron las escenas de la Anunciación y la Visitación. Si seguimos el recorrido en la dirección de las agujas del reloj la siguiente escena que encontramos es la del Nacimiento de Jesús, de la que todavía se pueden ver algunos restos. A continuación estaba representada la anunciación a los pastores, de la que sólo quedan las patas de las ovejas. En los siguientes espacios encontramos a los Tres Reyes viajando, hablando con Herodes y presentando sus ofrendas al Niño. También se representó la matanza de los inocentes, la presentación de Jesús al templo y la fuga en Egipto.

Los espacios se separan mediante los nervios de la palmera, que están decorados con motivos geométricos, arquitectónicos, florales y animales   

Los muros laterales están decorados con escenas de la vida de Cristo, algunos animales y escenas cotidianas de la época. La mayoría de estas pinturas no se pueden contemplar in situ, al encontrarse en diferentes museos norteamericanos. Estos son: Museo de Arte de Cincinnati (MAC), Museo de los Claustros de Nueva York (MCNY), Museo de Bellas Artes de Boston (MBAB) y Museo de Arte de Indianapolis (NUNCA). También encontramos algunas imágenes en el Museo del Prado (MP). A partir de este momento haré referencia a estos museos con sus iniciales. Las imágenes que podéis ver a continuación sin el logotipo de Arte Medieval se han extraído de las webs de los museos dónde están expuestas. 

En la parte superior del ángulo sudeste había representadas las escenas de la curación de un ciego y la resurrección de Lázaro (MBAB). A su lado, en la tribuna, se representaron las Bodas de Caná (NUNCA) y las tentaciones de Cristo (MCNY). En el muro oeste se narraba la entrada de Jesús en Jerusalén (NUNCA) y la Ultima Cena (MBAB). En el ángulo noroeste todavía podemos contemplar in situ algunas imágenes de la Pasión de Cristo. Completan las pinturas del nivel superior la escena de las tres Marías ante el Sepulcro (MBAB).

Sobre la puerta de acceso se representó una escena de caza de ciervos (MP). A su lado había una cacería de liebres (MP) y un halconero a caballo (MAC) y dos bueyes enfrentados (in situ).

En los muros de la tribuna encontramos un guerrero (MP), un elefante (MP), un oso (MP), un dromedario (MCNY), dos perros (MCNY) y unos motivos decorativos a base de círculos (MP).

En el coro o tribuna, junto a la columna central hay una pequeña capilla de poco más de un metro y cubierta con bóveda de cañón. Como el resto del templo está decorado con pinturas murales, si bien son de factura posterior y hechas por otro maestro. El tema central es la adoración de los Tres Reyes. Uno de los monarcas aparece en la bóveda junto a un ángel. En la parte interior del arco de herradura, que da acceso a la estancia, encontramos medallones con águilas. La bóveda de cañón se culmina con un Dextrera Domine flanqueado por el arcángel San Miguel y otros ángeles que está matando un dragón.

El ábside también estaba decorado totalmente con pinturas. Desgraciadamente sólo nos han llegado las del muro sur y unos fragmentos de los muros laterales.

El muro norte se divide en tres espacios. En la parte central encontramos una ventana abocinada, que tiene dibujado una paloma blanca, símbolo del Espíritu Santo, en su arco. Flanqueando la ventana encontramos las imágenes de San Baudelio y San Nicolás. Bajo la ventana encontramos un pájaro, bastante deteriorado.

El nivel inferior estaba decorado con motivos que recuerdan tejidos árabes. En el siglo XV se colocó un altar empotrado al muro que estropeó las pinturas de esta zona.

También están muy deterioradas las imágenes del nivel superior. A pesar de todo se puede ver un círculo, dónde probablemente había un Agnus Dei, del que emana luz en forma de cruz griega. Esta ilumina a dos ángeles que sostienen una cruz y a Caín y Abel, que están orando.

En el muro oeste también podemos contemplar algunas imágenes. con tres personajes de difícil interpretación, si bien algunos estudiosos afirman que representan a Cristo Resucitado con Maria Magdalena y a un ángel.

La puerta principal de acceso al templo está en el muro oeste. Está formada por dos arquivoltas en forma de arco de herradura

Delante del ábside encontramos una necrópolis de los siglos XI y XII, donde se pueden ver una veintena de tumbas antropomórficas cubiertas con losas de piedra