La planta general del edificio está relacionada claramente con la de la Cámara Santa. Se trata básicamente de una planta rectangular dividida en dos pisos, con techumbre exterior a dos aguas.

El piso inferior está dividido en tres espacios: uno central y dos laterales:

El central, quizás sirviera de oratorio, se cubre con bóveda de cañón que arranca del zócalo, como en la cripta de Santa Leocadia, si bien aquí la bóveda se refuerza con arcos fajones. No presenta ventanas, la iluminación le llega a través de las puertas laterales.

De los dos laterales, el oriental debió servir de lugar de baño, ya que tras cruzar la puerta de acceso se desciende por unas escaleras a lo que pudo ser la piscina. Al espacio occidental sólo se accede por el exterior. Estos dos espacios se cubrieron con madera y tenían arquería ciegas.

El segundo piso fue la planta noble y consta igualmente de una sala rectangular y dos espacios laterales:

La sala rectangular presenta las siguientes características :

Está cubierta con bóveda de cañón ( de piedra toba ) reforzada por arcos fajones apoyados en ménsulas, que descansan sobre una imposta que recorre la base de la bóveda

Bajo la bóveda y los arcos fajones el muro se refuerza con arquerías ciegas, que reposan en columnas adosadas, cuyos fustes, en haces de a cuatro, son sogueados con basa y capitel comunes (capiteles facetados en triángulos por sogueado) . Este sistema de abovedamiento y contrarresto de empujes es de gran originalidad. Sólo encontramos referentes en salas termales romanas y en algunos mausoleos. Son siete los arcos ciegos de cada lado, ligeramente peraltados, siendo el central de mayores dimensiones y disminuyendo los restantes progresivamente, conforme se acercan a los extremos, ampliando así la perspectiva del espacio.

La arquería ciega se prolonga con carácter meramente decorativo en las paredes de los lados cortos, presentando tres arcos, el central de mayores dimensiones, bajo los cuales se abren tres vanos adintelados, que comunican con los miradores.

La iluminación se consigue a través de esos vanos de los lados cortos y de otros tres que se abren en los largos ( el central coincide con el vestíbulo de acceso del lado norte y con el mirador del lado sur )

Los espacios laterales hacen las veces de miradores. Están cubiertos con bóveda de cañón reforzada con un solo arco fajón. Cada uno tiene sus tres fachadas al exterior. Las fachadas frontales se abren al exterior por una triple arquería peraltada, cuyos apoyos son dos columnas exentas y dos adosadas al muro. Todas ellas son de fuste sogueado y capitel corintio degenerado. En las columnas se conservan las hendiduras para los petriles. Las fachadas norte y sur tienen dos arcos separados por un contrafuerte exterior.

Al segundo piso se accede por una escalera de dos tiros afrontada, que se adosa a la fachada norte, desembocando en un pequeño pórtico con tres de sus lados abiertos al exterior y sirviendo el cuarto como puerta de acceso. En la fachada sur hay restos de una estructura similar que pudo servir de mirados

Exteriormente el edificio presenta claramente su estructura rectangular apoyada sobre un zócalo corrido. La altura se ve acentuada por la presencia de los ocho contrafuertes ( cuatro de cada lado ) que discurren entre el zócalo y la cornisa y que aparecen decorados con estrías. Estos contrafuertes proporcionan luces y sombras y rompen la monotonía del muro. Sin embargo, lo más destacable del exterior es la articulación de los lados cortos en tres espacios correspondientes con triples vanos :

En la parte inferior del muro este se muestran tres vanos simplemente recortados sobre el muro. En el lado oeste sólo un vano de gran tamaño.

Coincidiendo con el triple vano del lado oriental y con el vano del occidental se dispone la triple arquería de los miradores.

Sobre el vano central de los miradores se sitúa una pequeña ventana triple.

De esta manera, el exterior presenta en los lados cortos una sensación de muro calado, de edificio abierto al exterior, que dinamiza el conjunto y es muy adecuado para la supuesta función que cumplió.

En el aspecto decorativo encontramos relieves en los siguientes lugares:

En el gran salón del piso superior, entre las ménsulas y las enjutas de las arquerías ciegas, se disponen unos rectángulos enmarcados por sogueado y con figuras humanas de traje talar y con cayado o bien jinetes.

Bajo esos rectángulos se sitúan medallones. Esos medallones se encuentran igualmente en las enjutas de las arquerías de los lados cortos del salón y en las enjutas de los arcos de la zona de los miradores. Tienen un tema central, generalmente un animal fantástico, enmarcado por un círculo sogueado, decoración geométrica o floral a continuación y nuevamente el sogueado circular.

Los mismos temas aparecen en los capiteles de las columnas del salón, capiteles que, como hemos dicho, están facetados en triángulos generando espacios donde se sitúan animales enfrentados, figuras humanas, árboles de la vida, etc. Todos estos temas que hemos mencionado y que se encuentran en los rectángulos, medallones y capiteles, parecen tener un fuerte sabor orientalizante, quizás relacionados con la llegada al reino astur de telas de procedencia oriental.

Sobre la arquería triple del lado corto del salón se dispone en relieve suave una banda vertical que llega hasta el techo. Ese mismo tipo de banda vertical de suave relieve se muestra en el exterior, en los lados cortos, concretamente desde el tejado hasta los medallones de las enjutas de los arcos del mirador, enmarcando en su descenso la pequeña ventana triple. En esas bandas suelen aparecer cruces con el alfa y la omega, cuyo significado y asociación con la realeza asturiana ya hemos comentado.

Con ese mismo relieve suave se marca una banda horizontal en ese mismo lado corto por el exterior. Se sitúa concretamente por debajo de la triple arquería del mirador y de la pequeña ventana triple que se encuentra sobre el vano central.

El conjunto decorativo se completaría con la decoración de estrías presente fundamentalmente en los contrafuertes.

A modo de conclusión decir que este edificio es único dentro del mundo prerrománico europeo. Su originalidad es, como dice Yarza, arrolladora y, como ya hemos comentado, sólo se le puede encontrar relación con edificios de época clásica, cuyos principios constructivos serían reinterpretados por el arquitecto de Santa María.

Por último decir que el nombre de Santa María le viene por el altar que se encuentra en uno de los miradores y por la función de iglesia que desempeñó desde el siglo XIII. Originalmente, como hemos visto, esa no fue su función.