La actual iglesia de estilo gótico puro comienza a construirse a principios del siglo XIV, erigiéndose sobre una iglesia románica, la cual fue construida al trasladarse a Gamonal la diócesis de Oca en el 1075. 
Consta de una planta de cruz latina, crucero y ábside cuadrangular; a sus pies se levanta una poderosa torre. En el pórtico podemos contemplar una escena de la coronación de la Virgen policromada y una puerta mudéjar. Próximo al pórtico se yergue un crucero del siglo XV relacionado con el Camino de Santiago.

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.