El Arco de Santa María es una de las antiguas doce puertas de acceso a la ciudad en la Edad Media, comunica el puente de Santa María, sobre el río Arlanzón, con la plaza del Rey San Fernando, donde se yergue la catedral.

Inicialmente conocida como "Puerta de la puente de yuso", la actual traza comienza su construcción en el siglo XIV-XV, a la que pertenece todo el interior, la torre y la fachada que mira a la Catedral. En el siglo siguiente, concretamente entre 1536 y 1553, fue remodelado totalmente por Juan de Vallejo y Francisco de Colonia, dando lugar a la entrada realizada con la típica piedra caliza blanca burgalesa, en esta ocasión proveniente de las canteras de Hontoria de la Cantera que puede contemplarse en la actualidad. Una puerta más simple debió de existir con anterioridad, ya que el Poema del Mio Cid la cita como el punto de entrada y salida de la ciudad empleado por el Cid cuando le reclamaban sus correrías guerreras. El Arco estuvo ocupado por el Consistorio burgalés hasta la construcción de la nueva Casa Consistorial (obra de Fernando González de Lara) en el siglo XVIII. Entre los años 1878 y 1955 fue sede del Museo Arqueológico Provincial de Burgos y en 1943 fue declarado Monumento Histórico-Artístico Nacional.​

En la actualidad está abierto al público en calidad de Centro Cultural Histórico Artístico, con espacios museístico y para exposiciones temporales.

La puerta fue concebida a manera de gran arco triunfal, con organización de retablo labrado o manposteado en piedra y con un remate almenado a modo de castillete, lo que hace del conjunto un monumento arquitectónico bastante singular. En las seis hornacinas principales, dispuestas en dos cuerpos y tres calles, se encuentran personajes importantes de la historia de la ciudad y de Castilla: los Jueces de Castilla (Nuño Rasura y Laín Calvo); los condes Diego Rodríguez Porcelos, fundador de la ciudad, y Fernán González, primer conde independiente de Castilla; el Cid; y el emperador Carlos I, a quien dedicó la ciudad el Arco para congraciarse con él tras las revueltas comuneras.

Arco de Santa Maria, Burgos par Juan Laurent, c. 1863, Department of Image Collections, National Gallery of Art Library, Washington, DC

Sobre ellos, con bultos de menor tamaño, se sitúan dos maceros municipales en los extremos de una balconada abalaustrada y el ángel custodio de Burgos sosteniendo una reproducción de la ciudad. Por encima se encuentran cuatro gárgolas que sirven de desagües. Presidiendo todo se encuentra la Virgen Santa María, patrona de Burgos como defensora de la ciudad.

El autor de las estatuas es el escultor Ochoa de Arteaga. El paramento está tachonado de aspilleras, lo flanquean dos torres cilíndricas y lo rematan cuatro escaraguaitas o garitas decorativas.

El arco está cubierto con una bóveda de crucería, accediéndose a esta bóveda por un arco de medio punto, en cuyo intradós hay restos de pinturas alegóricas del siglo XVII, en la fachada principal, y por otro trespuntado en la fachada posterior. La fachada posterior, sencilla, data del siglo XIV; en ella hay una galería de piedra bajo el tejado, sostenida por ménsulas de madera.

En el interior del Arco, unas escaleras de origen medieval dan acceso a la sala principal, reformada en la actualidad, aunque conserva un fragmento de yeserías mudéjares, procedentes del castillo de Burgos; en esta sala destaca un gran mural del pintor burgalés José Vela Zanetti dedicado al Conde Fernán González y a la independencia de Castilla. La sala, que ocupa dos plantas, está cerrada por una cristalera decorada con el escudo de la ciudad.

Desde esta se puede acceder a la Sala de Poridad, salón octogonal en el que se reunía el concejo de Burgos hasta 1780. Esta sala tiene un bello artesonado mudéjar. En sus muros pueden admirarse pinturas del siglo XVI que representan al emperador Carlos V, a Felipe II y a los próceres castellanos, Fernán González, Rodrigo Díaz de Vivar, y los jueces Laín Calvo y Nuño Rasura, puestos como ejemplo de buen gobierno en el lugar donde se reunían los regidores del Concejo burgalés.

Alberga interesantes objetos históricos que recuerdan la condición que tiene Burgos de Cabeza de Castilla: el cuadro "El Cid y Doña Jimena" del artista burgalés Marceliano Santa María; un hueso del Cid Campeador; la medida patrón de la vara castellana; la antigua puerta blindada de acceso al archivo del Arco; el sillón en que se sentaban los legendarios jueces castellanos para administrar justicia; una reproducción de la espada Tizona del Cid, obra del orfebre Maese Calvo, que es también autor de bellos escudos circulares dedicados al Cid y al conde Fernán González; puede verse un pendón de Castilla bordado en oro y otros objetos variados pertenecientes al Concejo de la ciudad. Desde esta sala se puede acceder a una de las torres cilíndricas del exterior.

En la planta superior, accesible por una escalera de caracol, se ubica, en una pequeña habitación, el Museo de Farmacia. La colección de tarros de boticario procede del desaparecido Hospital de San Juan, cuya botica fue de las más importantes de España, regida por farmacéuticos como Fray Tomás de Paredes y Fray Esteban de Villa.