El primer templo que se edificó en esta zona data de la época de Alfons I el Batallador, cuando se repobló la población de Soria a principios del siglo XII. De este templo no nos ha llegado ningún resto, pero sabemos, por documentos de la época, que era pequeño, sencillo, rústico y de pobre fábrica.

En 1152 el obispo Juan de Osma dio el templo a los canónigos de San Agustín, que crearon una canónica. Una vez instalados decidieron mejorar el templo, construyendo uno de nuevo, gracias a los donativos de los monarcas castellanos. El nuevo templo era de grandes dimensiones, el más grande de todo Soria, con tres naves, crucero, cimborrio y cabecera formada por tres ábsides semicirculares. El claustro se adosó en el muro norte.

Gracias a disponer de este templo de gran esplendor, Alfonso VIII, muy agradecido con la villa, pidió al Papa Clemente IV la categoría de ciudad y la conversión de la colegiata en catedral. Esta petición fue aceptada mediante una bula, pero el capítulo catedralicio de Osma protestó airosamente, lo que provocó la anulación de esta decisión. A partir de este momento y hasta el año 1959 las numerosas peticiones para convertirse en sede catedralícia fueron denegadas. Finalmente el Papa Juan XXIII le concedió el título de Cocatedral, que comparte con la de Burgo de Osma.

En 1520 se hundió completamente el templo. Según está escrito en un documento las causas de este accidente fueron "a instancia de una autoridad y un canónigo para hacer un altar a la Virgen del Manantial en un lateral junto a un pilar, si bien el picapedrero dijo que no se atrevía a hacerlo, se sacó y la iglesia se cayó".

Temporalmente la comunidad se trasladó a Santa Maria la Mayor y se inició la reconstrucción del templo a imagen de la colegiata de Berlanga de Duero. Tiene planta de salón con cinco naves, las dos laterales convertidas en capillas. La cabecera de la nave principal la forma un ábside poligonal, mientras que las laterales tienen cabecera plana. La anchura total del templo es igual a la que tenía el transepto de la iglesia románica. Esto provocó que para levantar el muro norte fuera necesario derruir el ala sur del claustro y los primeros arcos de las galerías este y oeste.

Las naves están dividías en cinco tramos y cubiertas con bóvedas de creueria.

La puerta de acceso, de estilo plateresco, se encuentra en el muro sur, en lo que era el brazo meridional del transepto románico. De esta época se conservan tres ventanas de medio punto decoradas con arquivoltas, que se apoyan en parejas de columnas. Estas están cegadas y sólo son visibles desde el interior. Sobre las ventanas se puede ver un ojo de buey.