Sancha Alfónsez de León, fille du roi Alphonse V, occupa dès son plus jeune âge la charge d'abbesse du monastère de San Pelayo. Aux côtés de son époux Ferdinand, elle régna sur León à partir de 1037. Sancha exerça une influence notable sur le monarque pour encourager la construction en pierre de l'église de San Juan Bautista et, de plus, elle le persuada de choisir ce temple comme lieu de sépulture, écartant d'autres options qu'il avait envisagées, comme les monastères d'Arlanza ou d'Oña. Le projet se concrétisa par la démolition de la modeste église érigée à l'époque d'Alphonse V et la construction d'un nouveau temple en pierre de taille soigneusement travaillée, comme le rapportent les chroniques de l'époque. Il ne s'agissait pas d'une grande église destinée au culte populaire, mais d'un petit temple palatin conçu pour l'usage privé de Ferdinand et de Sancha, qui résidaient dans le palais adjacent au double monastère, composé d'une communauté de religieuses et d'une autre de chanoines.

De même, l'espace destiné au Panthéon des Rois fut réaménagé. C'est ce que confirme la pierre de consécration et ce que rapportent les sources contemporaines, comme le chroniqueur connu sous le nom de Silense, qui était par ailleurs clerc de San Isidoro. Dans le cimetière situé au pied de l'église — l'actuel Panthéon royal — furent inhumés les monarques fondateurs, Ferdinand et Sancha, aux côtés de trois de leurs enfants : Urraca, Elvira et García. On y trouve également le cénotaphe de García Fernández, dernier comte de Castille. L’épitaphe de Ferdinand Ier, décédé en 1065, souligne que c’est lui qui a transformé en pierre une église qui était auparavant construite de matériaux modestes.

Afin de rehausser le prestige du temple, et conformément aux pratiques courantes de l’époque, il fut jugé indispensable de rassembler des reliques prestigieuses. C'est pourquoi, en 1062, les restes de saint Isidore furent transférés depuis Séville et, depuis le monastère d'Arlanza, les reliques de saint Vincent d'Avila, qui y avaient été conservées après les incursions d'Almanzor. De plus, le temple conservait depuis longtemps une mâchoire attribuée à saint Jean-Baptiste.

La nouvelle église fut solennellement consacrée le 21 décembre 1063 sous le patronage de saint Isidore. À cette occasion, les rois dotèrent le temple d’un précieux mobilier liturgique qui, d’un point de vue artistique, constitue l’un des grands joyaux de l’art roman de l’époque. Depuis lors, l’édifice fut exclusivement dédié à saint Isidore.

Ferdinand et Sancha ont constamment protégé le temple, le visitant à de nombreuses reprises, comme le rapportent les chroniqueurs, qui décrivent même les scènes émouvantes du roi Ferdinand Ier se rendant sur place dans les derniers instants de sa vie. L'ensemble s'est enrichi d'importantes reliques, de pièces d'orfèvrerie et d'abondants trésors, tandis que le monastère recevait un vaste patrimoine.

Cette église devint le premier édifice roman du royaume de León réalisé selon les courants les plus avancés de ce style. L'édifice promu par Ferdinand Ier et Sancha était de taille réduite : il mesurait environ 16 mètres de long et était organisé en trois nefs, avec une nef centrale de trois mètres de large et des nefs latérales de près de deux mètres. Elle présentait une hauteur remarquable, atteignant douze mètres dans la nef centrale et sept dans les nefs latérales. L'abside était tripartite, avec des murs d'extrémité droits et en gradins, couverts de voûtes en berceau, et dépourvue de transept.

Au pied de l'église fut construit le panthéon royal, auquel on accédait depuis l'intérieur du temple par une porte aujourd'hui murée. D'après les fouilles archéologiques, ses murs s'alignaient sur ceux des nefs. Il s'agissait d'un espace clos, organisé en deux niveaux : le niveau inférieur destiné aux sépultures et le niveau supérieur conçu comme tribune royale.

De cette phase de construction, il reste aujourd’hui le Panthéon royal, un portail aux chapiteaux sculptés situé à l’étage supérieur du panthéon, entre les archives actuelles et le trésor, la tribune royale, les deux portiques attenants, les deux premiers corps de la tour et les murs nord et ouest, qui furent intégrés par la suite dans l’agrandissement promu par Urraca la Zamorana. En 1908, lors de travaux de restauration dirigés par l'architecte et conservateur Juan Nepomuceno Torbado, le plan d'origine et les fondations de cette église ont été mis au jour. Des décennies plus tard, lors des travaux de pavage de 1971, le tracé du bâtiment a de nouveau été documenté ; son étude a été menée par l'Institut archéologique allemand de Madrid sous la direction du professeur Williams.