Sancha Alfónsez de León, hija del rey Alfonso V, ocupó desde muy joven el cargo de abadesa del monasterio de San Pelayo. Junto a su esposo Fernando, reinó en León a partir de 1037. Sancha ejerció una notable influencia sobre el monarca para impulsar la construcción en piedra de la iglesia de San Juan Bautista y, además, lo persuadió para que eligiera este templo como lugar de enterramiento, descartando otras opciones que había considerado, como los monasterios de Arlanza u Oña. El proyecto se materializó con el derribo de la modesta iglesia levantada en tiempos de Alfonso V y la edificación de un nuevo templo de sillería bien trabajada, tal como recogen las crónicas de la época. No se trataba de una iglesia amplia destinada al culto popular, sino de un reducido templo palatino concebido para el uso privado de Fernando y Sancha, que residían en el palacio contiguo al monasterio dúplice, formado por una comunidad de monjas y otra de canónigos.

Asimismo, se reorganizó el espacio destinado al Panteón de los Reyes. Así lo confirma la lápida de consagración y lo relatan las fuentes contemporáneas, como el cronista conocido como el Silense, que además fue clérigo de San Isidoro. En el cementerio situado a los pies de la iglesia —el actual Panteón Real— recibieron sepultura los monarcas fundadores, Fernando y Sancha, junto a tres de sus hijos: Urraca, Elvira y García. También se conserva allí el cenotafio de García Fernández, último conde de Castilla. El epitafio de Fernando I, fallecido en 1065, destaca que fue él quien transformó en piedra una iglesia que antes era de materiales humildes.

Con el fin de ennoblecer el templo, y siguiendo las prácticas habituales de la época, se consideró imprescindible reunir reliquias de prestigio. Por ello, en 1062 se trasladaron desde Sevilla los restos de san Isidoro y, desde el monasterio de Arlanza, las reliquias de san Vicente de Ávila, que allí se habían custodiado tras las incursiones de Almanzor. Además, el templo ya conservaba desde antiguo una mandíbula atribuida a san Juan Bautista.

La nueva iglesia fue solemnemente consagrada el 21 de diciembre de 1063 bajo la advocación de san Isidoro. En esta ocasión, los reyes dotaron al templo de un valioso ajuar litúrgico que, desde el punto de vista artístico, constituye una de las grandes joyas del románico de la época. Desde entonces, el edificio quedó dedicado exclusivamente a san Isidoro.

Fernando y Sancha protegieron el templo de manera constante, visitándolo en numerosas ocasiones, tal como relatan los cronistas, que incluso describen las conmovedoras escenas del rey Fernando I acudiendo al lugar en los últimos momentos de su vida. El conjunto fue enriquecido con importantes reliquias, piezas de orfebrería y abundantes tesoros, al tiempo que el monasterio recibió un amplio patrimonio.

Esta iglesia se convirtió en la primera edificación románica del Reino de León realizada conforme a las corrientes más avanzadas de este estilo. El edificio promovido por Fernando I y Sancha era de tamaño reducido: medía unos 16 metros de longitud y estaba organizado en tres naves, con una nave central de tres metros de ancho y laterales de cerca de dos metros. Presentaba una notable altura, alcanzando los doce metros en la nave central y siete en las laterales. La cabecera era tripartita, con testeros rectos y escalonados, cubiertos con bóvedas de medio cañón, y carecía de crucero.

A los pies de la iglesia se construyó el panteón regio, al que se accedía desde el interior del templo mediante una puerta hoy cegada. Según las excavaciones arqueológicas, sus muros se alineaban con los de las naves. Se trataba de un espacio cerrado, organizado en dos niveles: el inferior destinado a los enterramientos y el superior concebido como tribuna real.

De esta fase constructiva se conservan en la actualidad el Panteón Real, una portada con capiteles esculpidos situada en la planta superior del panteón entre el actual Archivo y el Tesoro, la tribuna real, los dos pórticos adosados, los dos primeros cuerpos de la torre y los muros norte y occidental, que fueron integrados posteriormente en la ampliación promovida por Urraca la Zamorana. En 1908, durante unas labores de restauración dirigidas por el arquitecto y conservador Juan Nepomuceno Torbado, se sacaron a la luz la planta original y los cimientos de esta iglesia. Décadas más tarde, en las obras de pavimentación de 1971, volvió a documentarse el trazado del edificio, cuyo estudio fue llevado a cabo por el Instituto Arqueológico Alemán de Madrid bajo la dirección del profesor Williams.