La iglesia se construyó entre el 1170 y el 1198. Tiene planta basilical de cruz latina con tres naves. 

La nave principal está cubierta con una bóveda de almendra, que arranca de una imposta, con arcos fajones que descansan en columnas adosadas a los pilares, dónde también van a parar los arcos formeros, también apuntados. Las columnas adosadas de los arcos fajones no llegan al suelo, si no que descansan en una ménsula.

Los capiteles suelen ser lisos, si bien podemos encontrar algunos con decoraciones vegetales o geométricas muy simples.

Las tres naves acaban en un crucero dónde se abren tres ábsides semicirculares. Algunas de sus ventanas han sido cegadas o sustituidas por otras de mayores dimensiones.

El ábside del izquierdo está dedicado a San Benito, mientras que el de la derecha lo está a San Bernardo.

En el caso del ábside principal es de grandes dimensiones, por que contiene una girola en su interior, de dónde salen cinco capillas radiales.

La nave norte y el deambulatorio están cubiertos con una bóveda de arista con los nervios marcados resiguiendo la arista, que anuncia la llegada de las líneas góticas. Si que está construida en este estilo la nave del lado sur,  que corresponde a unas reformas realizadas por el abad Copons. Este vació el muro sur de la nave para construir unas capillas laterales, lo que debilitó la estructura del templo, inclinándose peligrosamente la bóveda de la nave principal. Por este motivo fue necesario rehacer la bóveda de la nave lateral, ya en estilo gótico y construir unos contrafuertes en el muro de mediodía.

Es también del abad Copons el gran rosetón que hay en el muro oeste.

Probablemente se decoró con tracerías góticas, de las que no queda ningún resto. Actualmente está decorado con un vitral del siglo XX, que rompe con la sobriedad decorativa del templo.

La portalada exterior actual es barroca. La hizo construir el duque de Cardona y Segorbe en el siglo XVII. Se construyó en la muralla, que había dejado oculta la puerta de acceso al templo. Presidiendo la puerta encontramos a la Virgen Maria, titular del templo, flanqueada por San Benito y San Bernardo. Posteriormente se añadieron algunos elementos decorativos, en un barroco más recargado, como los que rodean los ojos de buey.

Una vez atravesamos la portalada barroca, encontramos un atrio o galilea del siglo XIII, cubierto con bóveda de crucería. En él podemos ver la puerta románica original, que todavía conserva parte de la policromía.

Está formada por cinco arquivoltas de medio punto, dos de las cuales descansan en columnas, con sus capiteles esculpidos con motivos vegetales muy simples. En el tímpano podemos ver la representación de un Crismón con un Agnus Dei en el centro. La inscripción que hay rodeándolo  es de factura posterior.

El transepto está cubierto con bóveda apuntada y es uno de los espacios más conocidos de Santes Creus. En el lado norte vemos una escalera que conduce directamente al dormitorio de los monjes, sobre la que encontramos un gran rosetón. En el extremo sur, posteriormente se añadió una gran sacristía, pero se mantuvo el rosetón.

Es en el transepto dónde podemos encontrar uno de los elementos más característicos del monasterio de Santes Creus, el Panteón Real. Construido en alabastro blanco entre 1340 y 1499, podemos encontrar las tumbas de los reyes catalanes, sobre dos grandes arcos rebajados. Los reyes tienen esculpidos a sus pies leones, símbolo de fuerza y poder, mientras que sus esposas tienen perros, símbolo de la lealtad y fidelidad. Los sepulcros fueron profanados y destruidos el año 1835. Posteriormente fueron restaurados en 1950 por Frederic Marés, aprovechando fragmentos de las imágenes originales. En el lado izquierdo, el más próximo al dormitorio, descansan los restos de Jaume I El Conqueridor, Pere III el Ceremoniós, impulsor del panteón, con sus tres esposas y Ferran de Antequera.

En el lado derecho podemos ver los sepulcros de Alfons I el Cast, Joan I y sus dos mujeres, y el de Joan II y su esposa.

En el brazo sur del transepto encontramos el sepulcro de Martí l'Humà, el último rey del casal de Barcelona.

En el transepto también se conservan las tumbas de otros nobles catalanes.

El retablo es también de alabastro blanco y esculpido en época renacentista por Damià Forment entre 1527 y 1529.

También es digno de ver el cimborio gótico que se levanta en el cruce entre el transepto y la nave principal. Su construcción se debe al abad Copons, que desgraciadamente murió antes de acabarse la obra y durante siglos quedó inacabada. Finalmente, en época moderna, se decidió cubrirlo de una forma muy austera.