Depuis la porte baroque située dans le mur ouest de la muraille, on accède à l'atrium ou galilée de l'église, une structure qui a dû être construite à la fin du XIIIe siècle, tout comme la rosace située dans le même mur, qui apporte de la lumière naturelle à la nef centrale. Cet atrium est couvert de voûtes d'arêtes. À l'origine, il comportait deux autels : l'un du XVIe siècle dédié au Saint-Sépulcre, qui a été restauré, et l'autre dédié à la Vierge des Anges, dont il ne reste aucun vestige ; à sa place, on peut désormais voir un calvaire gothique.

La construction de l'église a été planifiée sous les règnes de Ramón Berenguer IV et d'Alfonso II d'Aragon, à l'époque de l'abbé Hugo, vers 1166. Elle a été conçue dans le style roman.

Le plan de l'église est basilical, avec trois nefs et un transept. Les deux nefs latérales sont beaucoup plus étroites que la nef centrale. La nef nord, rattachée au cloître, est romane et possède une voûte d'ogives. La nef centrale est également romane, mais elle est couverte d'une voûte en berceau brisé. La nef sud, en revanche, est gothique, une reconstruction effectuée par l'abbé Copons vers 1330. Ce même abbé a également fait ouvrir les sept chapelles latérales et a construit la grande coupole gothique, avec un plan octogonal et de grandes fenêtres, qui a été restaurée entre 1979 et 1981.

Autour du presbytère se trouve le déambulatoire, d'où s'ouvrent cinq chapelles radiales. Les deux chapelles absidiales situées dans les angles communiquent directement avec le transept.

Le presbytère conserve l'ancienne table d'autel, faite d'une grande pierre soutenue par quatre paires de colonnes romanes. L'intérieur de l'édifice abrite deux de ses plus grands trésors artistiques : le retable Renaissance de Damián Forment et les tombes royales.