Se ignora la fecha y circunstancias de su primera fundación, así como cuándo se elevó al rango de colegiata. Tradicionalmente se cree levantada sobre el solar de la mezquita en la aljama musulmana, a partir de la reconquista en 1120, siguiendo la costumbre de instalar el templo principal de la ciudad en la antigua mezquita.

Conocida con la advocación de Santa Maria la Mayor, anteriormente de Mediavilla, en la limitación de parroquias del obispo García Frontín realizada en 1253 está considerada como parroquia mayor de la ciudad e iglesia de la nobleza. La fábrica más antigua de que existe noticia documental sería la consagrada en 1249 por el arzobispo de Tarragona Pedro Albalate. Nada queda de ella en la actual fábrica. Lo más antiguo de la colegiata es el claustro mudéjar, de planta rectangular con nueve tramos en las galerías mayores y cinco en las menores, todo de gran sobriedad, en ladrillo, con contrafuertes prismáticos y bóvedas de crucería sencilla; al mismo estilo corresponde la sala capitular vieja, de planta cuadrada, con una monumental portada en arco apuntado flanqueada por dos ventanales de arcos gemelos túmidos, elemento formal poco frecuente.

Sabemos que el papa Benedicto XIII fundó en el año 1412 un estudio de teología en el claustro de Santa María, que ya estaba construido, A partir del año 1967 este claustro ha sufrido una restauración poco adecuada, que lo ha desvirtuado en buena medida, especialmente al cerrar sus arcos con modernas celosías con lazos de seis, Aparte del claustro, la fábrica mudéjar de Santa María se advierte únicamente en el ábside poligonal con arcos apuntados en su parte inferior y de medio punto en galería corrida en la parte alta, y en la monumental torre octogonal, adosada a la izquierda del ábside, Esta torre mudéjar de Santa María presenta la misma estructura que la de San Andrés, alojándose una capilla en la parte inferior, y sobre ella una torre' interior, de pared liviana y planta octogonal, permite el desarrollo de las escaleras entre ella y la torre exterior. Aunque La Fuente dató la parte baja de esta torre en el siglo XIII, puede que toda la fábrica corresponda a fines del siglo xv y siglo XVI. Los contrafuertes le confieren aspecto más robusto que el de la de San Andrés, más sutil, ligera e íntima. Desaparecida la famosa Torre Nueva de Zaragoza, tas torres campanario de Calatayud son los mejores ejemplos del mudéjar aragonés protorrenacimento.

Después de las huellas mudéjares destacan Santa María las renacentistas. Lo fundamental está constituido por su magnífica portada retablo y las puertas, contratadas en el 1525 por los escultores Juan de Talavera y francés Esteban de Obray o Veray, y terminadas en 1528. Obra en alabastro de Fuentes Jiloca, sólo comparable a la portada de San Engracia de Zaragoza, está concebida a modo de retablo, con cuerpo principal y ático, flanqueados por las características columnas abalaustradas; la puerta, abierta en arco de m dio punto, presenta la rosca adornada con cabezas de querubines. La imaginería principal de la portada dispone en las jambas las efigies de San Prudencio, San Roque y Santa Lucía a la derecha, y las de Santa Catalina, Santiago y San Iñigo a la izquierda; sobre el arco, la Virgen con niño en mandorla de querubines y flanqueada por dos ángeles, ya los lados, en grandes hornacinas aveneradas, las magnificas esculturas de San Pedro y San Pablo, con otras más pequeñas de los Santo Juanes; por último, en el ático, el relieve d Pentecostés. Una decoración excepcional d grutescos flanquea el cuerpo principal a modo de polsera. Las puertas, de madera de roble nogal, con decoración de grutescos en candeliere y un relieve de la Anunciación, son obra personal de Esteban de Obray.

La portada se restauró en 1886, bajo la dirección del arquitecto Ricardo Magdalena y ejecución de escultor Dionisio Lasuén, afectando especial mente a las imágenes de las jambas y a la de San Juan Evangelista; las puertas se restauraron en 1917 en el taller de los Albareda de Zaragoza, y se reinstalaron en 1927. En el interior, la colegiata actual ofrece un amplió y desahogado espacio, formado por tres naves de la misma altura, del tipo de planta de salón, separadas por pilares cruciformes de orden toscano. Son cuatro tramo en total, con la nave central cubierta con cúpula con linterna sobre tambor en el tramo de crucero, ante el ábside, y con casquetes elípticos sobre pechinas en los otros tres, mientras que las naves laterales se cierran con bóveda de aristas. Esta disposición responde a las importantes obras de remodelación, realizadas hacia 1611 (crucero y presbiterio), por la misma época y con el mismo estilo de sobriedad protobarroca de raíz escurialense que la colegiata del Santo Sepulcro. A esta misma época corresponde la sala capitular nueva, alojada en el lado norte del patio del claustro mudéjar, antes mencionado. En el siglo XVII se abrieron importantes capillas laterales, entre las que destaca la de San Joaquín, a los pies de la nave central.

Conjuntos barrocos de gran interés son el coro, con el ambicioso trascoro, y la sacristía. Ante la imposibilidad de mencionar todo el tesoro artístico de la colegiata, nos limitamos a lo de mayor nota. El retablo mayor, obra en madera dorada y policromada, es un buen ejemplo de la escultura romanista del taller de Calatayud; su mazonería se ensamblaba en 1614, y quedaba inaugurado en 1617. El estudioso Agustín Rubio Semper lo atribuye al mazonero Jaime de Viñola, al escultor Pedro de Jáuregui y al pintor Francisco Florén. La arquitectura del retablo, de Jaime de Viñola, presenta estrecho parentesco con la del retablo mayor de la catedral de Tarazona, del mismo autor. Obra de grandes proporciones, consta de sotabanco, banco y cuerpo de tres calles, separadas por dos entrecalles, y organizado en tres pisos, dedicado a temas marianos. Se advierte que el grupo central, dedicado a la Asunción de la Virgen, es obra posterior, barroca y muy movida, que se debe al escultor bilbilitano Gabriel Navarro, y ejecutada hacia 1770 a expensas del canónigo José Mateo.

De gran interés son asimismo algunos retablos de las capillas laterales. Entre ellos destaca el de la Virgen Blanca, cuya titular es una talla gótica policromada, del siglo XV, y que centra un retablito plateresco del primer tercio del siglo XVI, de pintura sobre tabla; que a su vez está enmarcado por otro retablo manierista, del primer tercio del siglo XVII. La capilla de San Juan Bautista, costeada por doña Maria Ángela de Sessé (+ 1691) alberga buena pintura sobre lienzo, tanto en el retablo como en los muros laterales (Degollación del Bautista, Predicación y Banquete de Herodes). El Bautismo de Cristo del ático se considera una copia que el pintor Bartolomé Vicente hiciera del mismo tema de Juan Carreño para la iglesia de Santiago de Madrid. Pero la mejor pintura barroca de la colegiata se encuentra en la mencionada capilla de San Joaquín; el lienzo central del retablo, dedicado á San Joaquín, Santa Ana y la Virgen, es obra del pintor madrileño Bartolomé Román, y va firmada y fechada en 1645.

Por otra parte, los dos grandes lienzos, de formato apaisado, de los muros laterales de esta capilla, con los temas de la Adoración de los Reyes y la Adoración de los Pastores, son obra firmada y fechada del pintor Pedro, Aibar Ximénez en el año 1684. Buena parte del arte mueble de la colegiata, particularmente la platería y retablos de pintura gótica sobre tabla, se exhiben actualmente en el nuevo Museo de Arte Sacro, inaugurado en 1971, en las dependencias del palacio episcopal. Interesan sobremanera la magnífica colección de primitivos aragoneses, con tres importantes retablos del siglo xv, que no están documentados, y sobre los que damos la autorizada opinión del especialista en pintura gótica de la escuela de Calatayud, Fabián Mañas Ballestín. Según Mañas, el retablo de la Adoración de los Reyes está en contacto con la influencia de la pintura valenciana, rechazando su atribución al pintor Tomás Giner, y relacionándolo con la obra que Jaime de Valencia hiciera en 1462 para la iglesia de San Pedro de los Francos de Calatayud. El retablo de San Isidoro, San Ambrosio y San Nicolás lo atribuye Mañas a la producción inicial del pintor Domingo Ram, realizado poco después de 1470. Por último, del retablo de San Vicente piensa Fabián Mañas que el titular es de mano diferente a las tablas laterales de San Juan Bautista y María Magdalena, que corresponderían al retablo que Domingo Ram y Bartolomé Verdeseca realizaron en 1507.