La mandó construir el rey Sancho Ramírez para mostrar su poder ante los vecinos "infieles". Por ese motivo hizo construir un templo de grandes dimensiones, sólo superado en aquel momento por la catedral de san Pedro de Jaca. Originariamente se quería construir un templo de tres naves con planta basilical, pero la orografía del lugar lo impidió.

Nos encontramos ante un templo de una sola nave acabada en un ábside semicircular de grandes dimensiones. Pese a tener una sola nave, sin transepto, se construyó una cúpula en "el crucero". Exteriormente la cúpula se transforma en un cimborrio a modo de linterna, con cuatro ojos de buey. 

La nave es corta si la comparamos con su altura y anchura. Nuevamente las limitaciones de espacio por culpa de la orografía son las culpables. El muro del lado oeste es parte de la fortaleza de Sancho III el Grande. En la parte inferior de este muro se puede observar la roca sobre la que está construido el castillo, mientras que en una de las esquinas  se puede ver el ángulo nordeste del templo de Santa Maria de Valverde.

La nave está cubierta con bóveda de cañón, separada de los muros verticales del templo por una imposta ajedrezada. Los arcos fajones tienen grandes capiteles que están esculpidos con motivos historiados. 

El ábside está dividido en dos partes gracias a una línea de imposta esculpida con ajedrezado jaqués. En la parte superior encontramos cinco grandes ventanales de medio punto abocinados. Están decorados con dos arquivoltas protegidas por un guardapolvo con ajedrezado. La arquivolta interior se apoya en un par de columnas con capitel historiado. Las dos ventanas de la izquierda fueron cegadas al construir los pasadizos del castillo.

La parte inferior del ábside está decorada con una galería de trece arcos de medio punto cegados. Los capiteles en que descansan los arcos están bellamente esculpidos, siendo uno de los elementos más interesantes del templo.

El exterior del ábside también es digno de mención. Una línea de imposta ajedrezado nos marca la separación entre la cabecera del templo de san Pedro y el de la  iglesia inferior. Por otra parte, las columnas contrafuerte dividen el tambor verticalmente y agudizan la sensación de verticalidad del conjunto. Estos ábsides, junto con el muro sur del templo formaban parte de la muralla del recinto interior del castillo. Esto explica que el ábside se corone con una estrecha terraza a modo de camino de ronda. Parte del ábside, como ya se ha comentado, ha quedado oculto por otras dependencias del castillo, concretamente las escaleras que permiten acceder al recinto del castillo antiguo.

Pese a ser parte de la muralla, los ventanales están decorados con arquivoltas apoyadas en capiteles bellamente esculpidos. Su altura nos impide contemplarlos y descubrir los detalles que esconden.

También están esculpidos los capiteles que decoran, tanto internamente como externamente, los ventanales del muro sur del templo. Su altura y la nula iluminación del templo hacen prácticamente imposible su contemplación. A continuación se muestran algunos de los que pude fotografiar.

En el muro norte, medio escondida por las diferentes terrazas y escaleras de acceso al recinto antiguo del castillo, encontramos la puerta de acceso al templo.  Es una sencilla puerta de medio punto con una arquivolta apoyada en dos bellos capiteles esculpidos con motivos vegetales. La protege un guardapolvo con ajedrezado jaqués. . 

Sobre la portalada encontramos una ventana con dos capiteles esculpidos con unos niños montados sobre unos leones y aves enfrentadas por el pico. Su talla y los motivos son diferentes a todos los otros encontrados en Loarre, lo que hace suponer que fueron esculpidos por un maestro diferente.