Desde la puerta barroca abierta en el muro oeste de la muralla se accede al atrio o galilea de la iglesia, una estructura que debió construirse a finales del siglo XIII, al igual que el rosetón situado en el mismo muro, encargado de proporcionar luz natural a la nave central. Este atrio está cubierto por bóvedas de crucería. Originalmente, contaba con dos altares: uno del siglo XVI dedicado al Santo Sepulcro, que se conserva restaurado, y otro consagrado a la Virgen de los Ángeles, del que no queda ningún vestigio; en su lugar, actualmente se puede ver un Calvario gótico.

La construcción de la iglesia fue proyectada durante los reinados de Ramón Berenguer IV y Alfonso II de Aragón, en tiempos del abad Hugo, hacia el año 1166. Fue concebida en estilo románico.

La planta de la iglesia es basilical, con tres naves y un crucero. Las dos naves laterales son bastante más estrechas que la central. La nave norte, adosada al claustro, es románica y presenta bóveda de crucería. La nave central también es románica, pero se cubre con una bóveda de cañón apuntado. En cambio, la nave sur es gótica, una reconstrucción realizada por el abad Copons hacia el año 1330. Este mismo abad también mandó abrir las siete capillas laterales y construyó el gran cimborrio gótico, de planta octogonal y con grandes ventanales, que fue restaurado entre 1979 y 1981.

Alrededor del presbiterio se dispone la girola, desde la cual se abren cinco capillas radiales. Las dos absidales situadas en las esquinas tienen comunicación directa con el crucero.

En el presbiterio se conserva la antigua mesa del altar, formada por una gran piedra sostenida por cuatro pares de columnas románicas. En el interior del edificio se custodian dos de sus más grandes tesoros artísticos: el retablo renacentista de Damián Forment y los sepulcros reales.