Les primeres notícies que ens han arribat d'aquesta  abadia daten de l'any 851. Es tenia constància de l'existència d'un presbiteri mossàrab cordovès en aquest recinte monàstic, el que fa pensar que el seus orígens daten de l'època carolíngia.

La campanya de saquejos portada a terme per Abderramán III a Pamplona, amb la destrucció de la catedral, va provocar que la monarquia i el bisbat es traslladessin al monestir l'any 924. D'aquesta manera s'establí una tradició per la que durant molts anys els bisbes de Pamplona van ser triats entre els monjos de Leyre. També durant dècades el reis de Navarra van establir Leyre com el seu temple preferit, convertint-lo en panteó reial. D'aquesta època queden poques restes de construccions. Sota el paviment de la nau gòtica actual es conserva el traçat d'un temple anterior format per tres naus curtes. Sembla ser que aquest va ser el primer temple edificat a Leyre.

A finals del segle X es va decidir ampliar l'edificació existent i es va iniciar la construcció de l'actual capçalera romànica. Va ser consagrada l'any 1057, juntament amb la cripta. Està formada per tres absis semicirculars sense gairebé cap decoració exterior. Únicament es poden veure mènsules decorades sota la cornisa de la teulada. En elles podem veure caps d'homes, animals, boles i d'altres figures. S'obren en el mur unes finestres de mig punt disposades en dos nivells diferents. En el nivell inferior, corresponent a la cripta, trobem una finestra en cada absis lateral i dues en el central. El nivell superior, en canvi, només hi ha una finestra en cada absis, si bé es tracta de finestrals de grans dimensions.

Per sobre dels absis es divisa la imatge de la torre campanar de base quadrada del segle XI. Té finestres geminades, formades per tres arcs, en tots quatre costats. Les columnes i capitells que sustenten aquests arcs no tenen cap decoració. Al seu costat podem veure una espadanya del segle XIV.

El més interessant d'aquest conjunt monàstic, sens dubte, és la seva cripta. Situada sota la capçalera romànica està formada per un bosc de columnes desiguals, amb grans capitells. Es distingeixen quatre naus acabades en tres absis semicirculars, ja que la nau central va haver de ser dividida en dos per assegurar l'estabilitat de tot el conjunt. Les naus es divideixen en quatre trams i estan cobertes amb voltes de canó. Dos pilars i vuit columnes amb grans capitells suporten els arcs torals fortament peraltats i els arcs formers. Quatre capitells estan decorades amb uns motius molt senzills com són arcs, estries i boles.

La sensació que produeix al visitant aquesta cripta és indescriptible. Es tracta d'un recinte únic en el romànic. Les dimensions de les seves columnes i la seva composició la fan tan especial. Llàstima que el ritme trepidant de les visites guiades no permet gaudir amb tranquil·litat aquest recinte.

L'església superior segueix la mateixa estructura de la cripta, si bé en aquest cas s'ha mantingut l'estructura de tres naus i tres absis semicirculars. Les naus tenen dos trams i estan cobertes amb voltes de canó sustentades en quatre pilars cruciformes. Les columnes adossades als pilars no tenen basa i els capitells segueixen els motius escultòrics que ja trobem a la cripta. Les naus laterals són molt estretes, especialment la del costat esquerre.

Durant la darreria del segle XI es van seguir edificant les naus romàniques, tot i que a un ritme molt més lent. Es van cobrir amb uns sostre de fusta i van ser consagrades l'any 1098, juntament amb la portalada que hi ha als peus del temple. A les parets laterals es poden veure arcs de descàrrega i columnes, tant d'època romànica com gòtica.

Ja en el segle XIV, coincidint amb l'entrada de l'ordre del Císter, es van substituir aquestes naus romàniques per una gran nau gòtica de catorze metres d'amplada, considerada per molts com la més bella de tota Navarra. Els seus nervis estan molt ben treballats i acaben en claus de volta esculpides amb motius heràldics.

Des de la nau gòtica es pot observar la peculiaritat de la capçalera d'aquest temple, que té similituds amb la de l'església de Santa Maria d'Ujué. Destaca la seva irregularitat i l'ull de bou descentrat respecte a les naus romàniques.

En el mur meridional hi ha una porta romànica que dóna pas a una capella construïda en el segle XV. Té tres arquivoltes de mig punt sustentades en columnes amb capitells decorats amb motius vegetals. En el timpà hi ha esculpit un crismó del segle XII.

Al mur oposat hi trobem una porta que comunicava amb l'antic claustre, que va desaparèixer durant els 118 anys d'abandó de l'abadia. Aquesta portalada és de la primera meitat del segle XI i segueix l'estil de la cripta i la capçalera. Hi podem veure dos arcs de mig punt, tot i que un és molt forçat, que es recolzen en un parell de columnes sense basa i amb un capitell decorat amb motius similars als que hem vist a la cripta i capçalera del temple. La teulada es recolza en mènsules esculpides amb caps d'animals.

Al costat d'aquesta portalada es pot veure un arcbotant gòtic que es va construir per compensar la inclinació que estaven patint les naus romàniques.

Una altra de les joies de Leyre és la portalada que hi ha als peus de l'església, coneguda com a Porta Speciosa. Data del segle XII i recorda a la portalada de Santiago de Compostel·la. Es creu però que la col·locació de la majoria de les imatges a la façana es va fer amb imatges esculpides anteriorment i que estaven ubicades en altres llocs.

La porta està dividida per un mainell amb el capitell decorat. Sobre ell podem veure un timpà amb les imatges del Salvador, la Verge, Sant Pere, San Joan i altres apòstols, difícils d'identificar. El seu aspecte és rígid amb túniques acampanades. 

Està formada per quatre arquivoltes de mig punt ricament tallades, que es recolzen en tres parells de columnes. En estar arrodonits els montants que hi ha entre les columnes, sembla que n'hi hagi el doble. Els seus capitells estan decorats amb animals, figures humanes, entrellaçats, fruits, fulles i ocells. Tot el conjunt està coronat per un arc amb palmetes, mentre que les figures estan recolzades en unes mènsules esculpides amb caps de bèsties.

Les arquivoltes estan decorades amb motius molt variats que representen tot el món real i imaginari del romànic. A la més interior hi trobem potes, urpes, fruits,... en definitiva un conjunt d'elements fito i zoomòrfics. 

En les altres tres arquivoltes hi trobem un element esculpit per dovella. Així doncs podem veure ocells, serps, peixos, monstres, caps d'homes i dones representant diverses accions, totes elles sota un punt de vista satíric, com per exemple les que es refereixen als vicis humans. Els espais entre arquivoltes estan esculpits amb animals que semblen perseguir-se.

Per sobre de les arquivoltes hi veiem tot un conjunt d'imatges, la majoria de les quals són humanes. Així doncs en el fris podem veure un Pantocràtor, a Sant Pere, Sant Miquel, Sant Jaume, el martiri de les santes Nunilo i Alodia, la dansa de la mort, Jonàs amb la balena, Jesús sobre una barca, ... En el pis inferior i en el costat dret es veuen les escenes de la Visitació i l'Anunciació, un sant sense identificar i un àngel tocant una trompeta. En el costat esquerre podem contemplar a un bisbe, motius entrellaçats, un altre àngel tocant una trompeta i un cap d'home.

Totes les imatges es caracteritzen pels vestits estilitzats, en els que els plecs juguen un paper molt important. Destaquen les dimensions dels caps, que resulten molt petits comparats amb els cànons del romànic.

La façana ha estat protegida de les inclemències del temps per una visera i uns contraforts. Just a sobre podem veure una finestra de mig punt, amb una senzilla arquivolta sustentada per dos fines columnes. La resta d'elements de la façana, inclòs el matracà, són de l'època gòtica.

En sortir de la cripta, just davant de l'escalinata que porta fins l'antic claustre, podem veure la imatge de Sant Virila (Segle XVII) al fons d'un túnel que hi ha als peus de la cripta.

En el segle XVI el vell monestir amenaçava ruïna i desprès d'intentar en diverses ocasions portar a terme obres de restauració, els monjos van decidir finalment construir unes dependències noves a l'altre costat de l'església. La seva construcció va durar des de 1562 fins al 1640.

Durant el segle XIX Leyre va ser abandonat en tres ocasions: 1809, 1820 i 1836. Aquesta darrera va suposar l'interrupció de la vida monàstica durant 118 anys. En aquest període es va dispersar i perdre part del patrimoni de l'abadia. El monestir vell es va acabar enfonsant i el nou va començar a enfonsar-se. A principis del segle XX es van iniciar les obres de restauració. En el mes de novembre de 1954 va tornar la vida monàstica al recinte.