La actual iglesia de estilo gótico puro comienza a construirse a principios del siglo XIV, erigiéndose sobre una iglesia románica.
Consta de una planta de cruz latina, crucero y capilla cuadrangular; a sus pies se levanta una poderosa torre. Próximo al pórtico se yergue un crucero del siglo XV relacionado con el Camino de Santiago. El interior es de una sola nave y presenta ábside cuadrado. En el pórtico podemos contemplar un Calvario gótico y una puerta mudéjar.

Nuestra Señora la Real y Antigua contó con muchos devotos entre la oligarquía burgalesa, entre ellos miembros del linaje de los Pérez Giralte, cuyas armas campean en las puertas de entrada al templo, labradas en una estética puramente mudéjar a principios del siglo XV.