Por el exterior, el edificio posee recios muros de piedra caliza (extraída de canteras cercanas a Valladolid, como Villanubla, Zaratán o Campaspero) y grandes ventanales que iluminan el espacioso interior.
En cuanto a la sillería del coro, esta fue construida por Andrés de Nájera y terminada en 1528.
Así, en los respaldos de las sillas altas, aparecen los santos a los que estaban advocadas las distintas casas benedictinas españolas, pudiendo encontrar cada abad fácilmente su asiento gracias a la imagen del respaldo.
El nuevo estilo a lo Romano proveniente de Italia estaba ya entrando en España.
En 1571 se asentó la reja que abarca las tres naves y divide transversalmente la iglesia en dos partes jerarquizadas: la de los pies, destinada al pueblo llano, y la de la cabecera, destinada a los monjes.
La reja es lo único que se quedó en la iglesia y no sufrió apenas daños.
Adosado a la iglesia se encuentra el gran edificio monacal, que cuenta con tres claustros, uno de ellos el conocido Patio Herreriano, hoy museo de arte contemporáneo, y una fachada principal manierista diseñada por Juan del Ribero Rada.