La torre y la iglesia de Santa María, en otro tiempo importante colegiata, emergen con gran protagonismo entre el modesto caserío del casco antiguo de Roa. Algunos elementos, como una de las portadas y parte de la torre, recuerdan el edificio románico anterior; si bien la construcción del actual se inició en torno a 1530-1540 de acuerdo con las tendencias artísticas del momento, es decir, con un estilo de transición gótico-renacentista. En efecto, las construcciones de esta época mantienen la inspiración medieval, pero van incorporando elementos clásicos como se observa en puertas y ventanas donde las ojivas góticas son sustituidas por líneas semicirculares. Aunque se desconoce la autoría de la obra, por sus características ha sido atribuida a Juan y Pedro Rasines. Dos incendios en el siglo XIX acabaron con gran parte del mobiliario y obligaron a reconstruir la torre.

El templo presenta tres portadas y señales de una cuarta. Las dos más antiguas, situadas a poniente, se hallan tapiadas en la actualidad. En el muro inferior de la torre se abre la portada románica, primitiva entrada a la iglesia de finales del siglo XII. Es de gran sencillez, compuesta por cinco arcos apoyados en una imposta corrida y una puerta enmarcada por dos columnas de rudimentarios capiteles. Dicha portada fue respetada al construirse después una gótica flanqueada por dos pináculos en cuyo tímpano aparece la figura de Cristo majestad y dos ángeles que le acompañan.

Por último, la portada principal que da acceso al templo pertenece al último Renacimiento y está situada en el lado meridional junto a la torre. Consta de tres cuerpos. El primero, compuesto por un par de esbeltas columnas jónicas con su correspondiente entablamento a ambos lados de la puerta. El segundo, formado por un gran arco con el relieve de la Asunción flanqueado por dos pilastras. El conjunto se remata con un frontón triangular con una cruz y a ambos lados los escudos de Francisco Tello de Sandoval, obispo de Osma, y de los Condes de Siruela, don Juan de Velasco y Doña Mencía de Cárdenas.

En el interior, esta espaciosa iglesia se compone de tres bellas naves al mismo nivel, cuyo resultado es una planta de salón. Las naves se separan por robustas columnas acanaladas en su parte superior y sobre las que descansan bóvedas de crucería. Cabe destacarse tres capillas dedicadas a importantes personajes que contribuyeron en las obras. Junto al primer tramo de la nave de la Epístola se encuentra la capilla de los Condes de Siruela, fundada en el siglo XVI y cerrada por una extraordinaria reja de hierro forjado de la misma centuria, obra del artista vallisoletano Francisco Martínez. Contiene una pila bautismal de un gótico bastante avanzado. La Capilla de los Burgos se sitúa en el segundo tramo de la nave del Evangelio y es de estilo gótico. Contiene dos sepulcros pertenecientes al primer capellán de la capilla, Gabriel Alonso de Burgos, y al Bachiller Francisco Cabeza, con sus escudos. También debemos señalar la Capilla de los Bacas y Borjas, adosada al muro norte del templo, fundada por los ilustres canónigos Pedro de Baca y Antonio de Borja enterrados en ella.

Antiguamente se llamaba capilla del Descendimiento de la Cruz porque en su bello retablo del siglo XVI se representa esta escena de la Pasión de Cristo.

El presbiterio conserva una sillería gótica del siglo XV encargada para la Catedral de Burgo de Osma, pero que fue cedida a Roa por pertenecer a dicho obispado. En origen, el edificio también contó con un claustro hoy desaparecido con una primitiva sacristía y una sala capitular de estilo gótico que fueron sustituidas por las actuales del siglo XVII. Deben destacarse dos notables esculturas de gran valor artístico en las columnas más próximas al presbiterio. Se trata de una estatua de doña María de Borja, arrodillada, y un precioso altorrelieve de estilo renacentista burgalés que representa la Adoración de los Reyes Magos, acaso perteneciente a un antiguo retablo que no se conserva.