La antigua basílica prerrománica, de tres naves, contenía el Panteón Real que se situaba a los pies del templo, en la nave central, bajo una tribuna.
La actual capilla barroca, de 1712, fue contratada al maestro Bernabé de Hazas. Se trata de un templo de cruz latina con tres naves, transepto inscrito y presbiterio de trazado rectangular. La cubierta de las naves y los tramos laterales del transepto se soluciona con bovedas de crucería goticista; el centro del crucero se cubre con una cúpula sobre tambor octogonal soportada por pechinas con los relieves de cuatro monarcas asturianos: Alfonso II, Ramiro I, Ordoño I y Alfonso III, y la cubierta del presbiterio se soluciona con una bóveda elipsoidal, en cuyas pechinas se muestran escenas de la vida de la Virgen. Por toda la obra están representadas las armas de Felipe V, que confirman su patronato regio.
El retablo del escultor Antonio Borja, consagrado a Nuestra Señora del Rey Casto o de las Batallas, se concluyó en 1719 y utiliza los estípites por primera vez en Asturias. En las calles laterales aparecen relieves sobre la infancia de Cristo y en el ático la escena de la Asunción y Coronación de María.
El Panteón Real consta de dos niveles de nichos superpuestos, donde se encuentran los restos de los monarcas asturianos. Según la tradición, aquí se encuentran los cuerpos de Fruela I, Bermudo, Alfonso II, Ramiro I, Ordoño I, Alfonso III y García I.
