L'église de Santa María de La Antigua remonte au moins au XIIe siècle dans la ville de Valladolid. Elle conserve de la fin de ce siècle ou du début du suivant une tour romane élancée surmontée d'une flèche recouverte de tuiles, ce qui en fait, avec celle de l'église de San Esteban, le clocher roman le plus haut d'Espagne et de la péninsule ibérique actuelle, et un portique sur le côté nord, également roman. Le reste de l'édifice est de style gothique et néogothique, car il a été érigé au XIVe siècle et, après des ajouts ultérieurs de différents styles, il a été intensivement restauré et reconstruit dans la première moitié du XXe siècle.

C'est probablement l'une des paroisses ayant la plus longue histoire de Valladolid. Les vestiges de thermes romains ont été découverts sous le bâtiment actuel. Bien que traditionnellement associé au comte Pedro Ansúrez, il est vrai que son existence apparaît pour la première fois dans la documentation en 1177. Il ne reste rien de cette construction primitive. Les parties les plus anciennes de l'église actuelle datent de la fin du XIIe siècle ou des premières années du siècle suivant et sont de style roman : la galerie à portique située au nord de l'édifice, et la tour élancée, située au pied, de plan carré et à quatre étages, avec des fenêtres sur les trois derniers, surmontée d'une flèche pyramidale.

Le reste de l'église a probablement été reconstruit au XIVe siècle, sous le règne d'Alphonse XI de Castille, selon le style gothique et avec des influences notables de la cathédrale de Santa María à Burgos. Cette église du XIVe siècle était organisée en trois nefs, surmontées de trois absides polygonales, sans déambulatoire, et un transept qui n'est visible que dans les élévations et non dans le plan au sol. Le plan présente plusieurs irrégularités, l'axe de l'église étant légèrement décalé par rapport à ceux de la tour et de la galerie à portique. Les voûtes étaient constituées de simples nervures et reposaient sur des piliers centraux cylindriques avec des colonnes attachées. Les pléments de la chapelle principale sont ajourés, comme c'est le cas dans la cathédrale de Burgos. L'éclairage était assuré par de minces fenêtres en ogive avec débords extérieurs et intérieurs dans les absides, de simples ouvertures jumelées dans la nef centrale et deux grandes rosaces, dont on ignore la trame originale, dans les deux pignons des transepts.

De nombreux vestiges de valeur ont été découverts autour de l'église à la suite de sondages archéologiques effectués dans le but de créer un parking souterrain : le seul témoignage d'une construction de l'époque romaine dans la ville, correspondant à un bâtiment romain d'une certaine taille, ainsi que 51 sépultures de la nécropole médiévale de l'église d'Antigua, la cour d'un palais de la Renaissance sous laquelle d'autres vestiges médiévaux et romains sont présumés exister, la voûte du lit de la rivière Esgueva, avec les vestiges de l'ancien pont Bolo de la Antigua et le bloc de bâtiments du XVIIIe siècle qui sont restés debout jusqu'à il y a 25 ans. L'intégrité du site est actuellement menacée par le projet de construction du parking, ce qui a entraîné la mobilisation des citoyens en faveur de la création d'un parc archéologique.