La transformación del antiguo monasterio en Colegiata – al cambiar la regla benedictina que lo regía por la de la orden de Canónigos de San Agustín – se produce a mediados del siglo XII, época en que se edifica el templo actual, en estilo románico, que es el más amplio de la cornisa cantábrica. Su estructura de tres ábsides y tres naves sigue el modelo de Frómista (Palencia) y del románico internacional que penetra en Castilla por el Camino de Santiago.

La escultura de su porticada, capiteles y canecillos  evocan los temas fundamentales de la religiosidad medieval, en particular la lucha entre el Bien y el Mal, y la necesidad de la penitencia y el perdón para salvarse de las penas del infierno. Este mensaje se muestra a través de alegorías y símbolos animales (leones, pelícanos, palomas, cuervos, serpientes, cabras...) y vegetales (manzanas, helechos, acanto, lirios, vid, uvas, piñas...) así como algunas escenas humanas.  

En el centro del crucero se erige el sepulcro de Santa Juliana, cuyas reliquias se guardan en la arqueta del retablo con los escudos de la Casa de la Vega.

El retablo mayor es una excelente obra de estilo hispano-flamenco de finales del XV, con tablas pictóricas relativas al martirio de la santa y esculturas de apóstoles y evangelistas. El frontal del altar es una soberbia pieza de platería mexicana. En el coro se conserva un notable órgano barroco, y en la capilla bautismal, además de la pila románica, un excepcional pantocrátor realizado en torno al año 1200.  

El claustro, adosado a la fachada norte de la iglesia, muestra en sus 42 capiteles de variada temática una completa evolución de la escultura románica. Junto a sus muros se observan los sarcófagos con motivos heráldicos de personajes relevantes del clero y la nobleza.