La iglesia, construida en piedra caliza de los alrededores, se caracteriza por una recia imagen exterior. En el centro de la fachada luce un magnífico rosetón de fina tracería. Precede a la portada un atrio con pórtico añadido en el siglo XVI. Está cubierto con techumbre de madera sostenida por columnas octogonales con capiteles blasonados y cerrado con una reja de forja. La puerta ojival principal que daba acceso al templo fue cegada en el siglo XVIII al construirse el coro bajo, accediéndose por una lateral. Consta de tres naves, crucero y cabecera plana, compuestas por tres ábsides. Las naves se cubren con bóvedas de crucería sencilla, siendo la central más alta y profunda. Por su parte, las capillas laterales, abiertas en el lado de la Epístola y las absidiales de la cabecera, se cubren con bóvedas de terceletes. En el interior, dotado de una gran luminosidad, se abre un elegante espacio gótico con aires catedralicios.

La capilla Mayor aparece presidida por un monumental retablo barroco de mediados del siglo XVIII, dedicado a los santos Cosme y Damián. A sus pies se sitúan tres sepulcros datados en el siglo XII y conocidos como los “entierros de las santas infantas”. Yace en el centro doña Urraca, hija del conde Garci Fernández, fundador de la Abadía e Infantado de Covarrubias. A la izquierda, doña Urraca, hija de Fernando I de Castilla, y a la derecha, doña Sancha, descendiente de la anterior. Las tumbas, que aparecen adornadas con sobrias cruces abaciales sobre la tapa y escudos en la cabecera, estuvieron colocadas en una cripta bajo el presbiterio hasta el siglo XVIII. A ambos lados del altar y cerrando la capilla Mayor se encuentran los sepulcros del conde Fernán González y de su mujer doña Sancha, trasladados desde el monasterio de San Pedro de Arlanza en 1841. Ambos son anteriores al siglo X, fecha en que murieron los condes. El del conde es un bloque de mármol liso, del siglo V, con un rudo adorno en la tapa y la palabra “obiit”. Más suntuoso es el de doña Sancha, obra romana de la primera mitad del siglo IV. Presenta la típica decoración de los sepulcros romanos con un clípeo en el centro, con las efigies de dos patricios romanos perfectamente ataviados a la usanza de la época. Asimismo, a cada lado del presbiterio encontramos dos notables monumentos funerarios realizados en el tránsito del siglo XV al XVI. En el lado del Evangelio se sitúa el enterramiento del abad Garci Alonso de Covarrubias, fallecido en 1450, y en el de la Epístola, el de don Gonzalo Díaz de Covarrubias y su esposa.

La iglesia alberga, además de los señalados, numerosos sepulcros de obispos, abades y nobles de Covarrubias distribuidos por todo el templo. En 1777 se instaló el coro bajo a los pies de la nave central. La sillería es de nogal y sobre ella se halla situado el magnífico órgano construido en la segunda mitad del siglo XVII y transformado en 1700 por el maestro Diego de Orio Tejada. El claustro, construido en pleno siglo XVI a expensas de don Jerónimo de Villegas, constituye un armonioso recinto rectangular con elegantes tracerías góticas mezcladas con algunos elementos renacentistas. En una de sus crujías destaca el sepulcro gótico de la princesa Cristina de Noruega, casada con el infante y abad de Covarrubias Felipe de Castilla. En el siglo XVIII fueron desmantelados los retablos originales de estilo gótico.

La Colegiata alberga en su interior un interesante museo formado en su mayor parte por las obras de pintura y escultura procedentes de los antiguos retablos de la iglesia, así como piezas de orfebrería de gran interés, una variada colección de objetos litúrgicos, algunos históricos diplomas de su archivo y otros objetos traídos de la iglesia de Santo Tomás y del derruido monasterio de San Pedro de Arlanza.

La obra cumbre conservada en este museo es el extraordinario tríptico de la Epifanía, muestra emblemática de la escultura gótica de finales del siglo XV. Aunque se desconoce el autor de tan bella obra, se cree que pudo ser realizada por el denominado Maestro de Covarrubias, que debió ser uno de los discípulos más destacados de Gil de Siloé. Las tablas laterales fueron pintadas por un anónimo pintor de tradición hispano-flamenca. La parte central del tríptico, tallada en madera ricamente policromada y dorada, representa la escena de la Adoración de los Reyes Magos. La Virgen, de figura estilizada, es una mujer flamenca, con el rostro suave y delicado, que sostiene en su regazo al Niño. San José, en actitud contemplativa, se sitúa al lado del rey negro y observa cómo su Hijo tiende su mano a la copa que le ofrece otro de los reyes. Al otro lado de la escena aparece el tercer rey, con rasgos orientales, de largos cabellos y barbas ensortijadas. El conjunto está coronado por una fina crestería gótica, formando doseletes y una cenefa de filigrana dorada. Las puertas laterales presentan cuatro escenas realizadas a principios del siglo XVI donde se representan la Natividad, la Transfiguración, el Bautismo de Cristo y la figura del donante tutelado por san Antonio y los santos Cosme y Damián decapitados.

Otras obras notables son algunos de los capiteles románicos de la antigua iglesia con motivos que recuerdan a los de Silos. También se conservan una serie de imágenes de la Virgen con el Niño, entre ellas la “Virgen de las Mamblas” del siglo XIII. A la entrada aparece un retablo de escultura de escuela bruselense. En él sobresale la expresión de las figuras de Santiago, san Pedro y san Pablo, y el remate con una conmovedora Anunciación.

En cuanto a las pinturas, se sabe que el primitivo retablo mayor estuvo compuesto por tablas dedicadas a los santos patronos Cosme y Damián, conservándose sólo una de finales del siglo XV, obra de Pedro de Berruguete. También se exponen dos tablas procedentes del antiguo altar mayor de la iglesia de Santo Tomás, obra de Alonso de Sedano. Asimismo es destacable la delicada tabla de la “Virgen del Libro” de mediados del siglo XV; se atribuye a un autor próximo al círculo de Van Eyck. Destaca la profundidad y el detalle con el que está trabajada, características propias del estilo flamenco. Por último sobresale un magnífico tríptico del “Descendimiento” de fines del siglo XV de escuela alemana. Se atribuye al artista de Colonia conocido como Maestro del Retablo de San Bartolomé.

Son también de gran interés las bellas piezas de orfebrería que se muestran en este museo. Destacan, entre otras, una custodia y una cruz procesional realizadas a comienzos del siglo XVI, una cajita relicario de plata y tres relicarios y urnas de plata repujada del siglo XVII. Se conservan telas de origen copto y árabe del siglo X, restos aparecidos en el sepulcro de la princesa Cristina de Noruega y numerosos ornamentos litúrgicos (casullas, capas, dalmáticas…). Finalmente hay que mencionar algunos importantes documentos procedentes del archivo de la Colegiata como el diploma de fundación del Infantado de Covarrubias en el año 978 y el fuero dado por doña Sancha en 1148.