La iglesia es lo único que resta del antiguo monasterio románico de los siglos XI y XII. El alzado del templo es de sillería, formado por grandes bloques de piedra de pizarra especialmente bien trabajada. En la fábrica de la iglesia se evidencian dos fases constructivas, una primera fase a finales del siglo XI donde se levantaría la cabecera, la nave transepto y los arranques de la nave, conformando lo que debería ser la planta del edificio. En la segunda fase, durante los siglos XII-XIII se levantaría en altura el resto del edificio, se cubrirían las naves, levantándose el cimborrio y la torre campanario a los pies, hoy desaparecida.

El templo tiene planta de cruz latina, cabecera con un ábside de testero recto, este último detalle le hace alejarse un tanto del prototipo románico estándar, cuyo ábside suele ser semicircular. Sin embargo en este caso, la iglesia denota la influencia de la iglesia de santo Tomé de Zamora, con una cabecera bastante similar. De nave única y tres tramos, dispone de nave transepto y crucero con cimborrio de planta cuadrangular. Dispone de tres entradas, una situada en la fachada sur (hoy fuera de uso) y que mira al cementerio. La segunda y habitual de entrada, se sitúa en el muro occidental del brazo norte del transepto. La tercera se encuentra a los pies del templo y queda oculta por el palacio del obispo levantado en el siglo XVI junto a la iglesia. Los tres tramos de la nave única del templo se cubren con bóvedas de aristas, la cabecera por bóveda de cañón y el crucero y la nave de transepto tienen armadura de madera de reciente construcción.

Portada sur (meridional) Abierta en el tramo central de la fachada sur, con entrada directa a la nave del templo y frente al cementerio municipal. Formada por tres arquivoltas de medio punto en degradación, que apoya la más interior en la pilastra-jamba del muro y las dos restantes en sendas columnas con fustes de mármol, reaprovechadas probablemente de alguna construcción romana. Los cuatro capiteles se encuentran en bastante mal estado: el de la izquierda se interpreta como una escena de la Anunciación, el segundo es liso pues está reconstruido, el tercero (ya en la derecha), recibe el nombre de capitel de las sirenas, por ser estas figuras las representadas y el cuarto capitel es un conjunto de diversas figuras de animales de iconografía fantástica.

En las enjutas de los arcos, vemos dos grandes figuras en altorrelieve, a la izquierda Santiago Apóstol, perfectamente reconocible por sus atributos (el bordón y la concha de peregrino) y a la derecha la figura de otro apóstol, pero del que desconocemos su nombre.

Portada norte (septentrional) Situada en el muro oeste, del brazo norte del transepto. Se considera que en origen debía ser la puerta de comunicación entre la iglesia y el claustro del monasterio (hoy desaparecido). Se trata de una puerta en arco de medio punto adelantada sobre el muro, actualmente protegida por un pequeño tejaroz con decoración de ajedrezado. La rosca de la portada, es prismática sin decoración, tiene una pequeña imposta exterior a modo de guardapolvos con taqueado de ajedrezado. En las enjutas del arco, a la derecha, vemos un altorrelieve que representa al apóstol san Judas Tadeo. Un resto de inscripción de la filacteria nos dice: Iudas / fra / r s/ mon. La escultura no es original de la portada, ya que fue encontrada durante unas obras de restauración y colocada en este emplazamiento.

Portada oeste (occidental) Situada a los pies de la iglesia, hoy en día queda oculta por la construcción del palacio del obispo junto a la iglesia. La portada actual es consecuencia de las obras de reconstrucción realizadas a finales del siglo XX. Se considera que la portada original estaba inserta en lo que era la planta baja de una torre campanario que habría a los pies del templo. Esta planta baja podría realizar diversas funciones, bien de galilea o bien de refugio para peregrinos. Por encima de la portada tenemos un rosetón polilobulado. En la actualidad este espacio es utilizado como sacristía y como almacén de algunas piezas arquitectónicas descubiertas en las excavaciones y que por su avanzado deterioro deben encontrarse en lugar protegido.

Cabecera (exterior) Al exterior, la cabecera o ábside, que como ya hemos dicho es de testero plano, se divide en tres paramentos horizontales, separados por dos impostas de taqueado jaqués que continúan por todo el perímetro del templo, tanto por el exterior como por el interior. En el testero encontramos dos semicolumnas que enmarcan el juego de tres ventanas que se dispone en el frontal. Estas columnas en el tercio superior se convierten en pilastras. De las tres ventanas que encontramos en el frontal, solo la central ilumina el interior ya que las dos restantes que flanquean la principal son ciegas. Las tres están formadas por arcos de medio punto con una pequeña moldura de taqueado a modo de guardapolvos. Las ventanas apoyan en pequeñas columnas con capiteles decorados. Por encima de este juego de ventanas, aún encontramos un pequeño óculo, responsable del efecto lumínico del que ya hemos hablado, al dejar penetrar la luz del sol por su abertura.

En los muros laterales del ábside encontramos un grueso contrafuerte prismático en cada uno de sus lados y una ventana de similares características a las del frontis. Todos los capiteles del ábside se encuentran decorados bien con motivos vegetales (la gran mayoría) como con motivos figurados. Las representaciones figuradas son las siguientes: escena de la Epifanía (capitel columna de la derecha), dos capiteles con animales fantásticos propios del bestiario medieval (ventana central del ábside) y un tercer capitel con la figura de un mono que nos señala sus genitales (capitel derecho de la ventana izquierda del ábside). También son interesantes los dos capiteles de la ventana este, de la nave transepto sur, con representaciones de una arpía con un basilisco y un ave picoteando a un cuadrúpedo.

Cabecera (interior) Al igual que ocurre con el exterior, en el interior hay que fijarse en los capiteles que adornan las ventanas que tienen sus correspondientes con el exterior. El testero del ábside está centrado por una gran ventana con doble arco de medio punto y un guardapolvo con ajedrezado que se prolonga por todo el interior del templo. El arco se sustenta en dos columnas con capiteles decorados. Como ya hemos indicado al hablar del exterior, las dos ventanas que flanquean esta principal al exterior son ciegas, por lo que no veremos ningún rastro de su presencia en este lugar.

Si que veremos en la parte superior el óculo por donde penetra la luz del sol y que es responsable del conocido como efecto equinoccial. Las ventanas de los muros laterales del ábside siguen las mismas características que su compañera del frontal absidial. Ventanas con capiteles decorados. Además en los muros laterales podemos encontrar pequeños nichos abiertos en el muro, que son las credencias utilizadas para guardar los utensilios usados en la eucaristía.

La estrella del conjunto de capiteles es la escena situada en el capitel del lado del evangelio (a nuestra izquierda) en el arco triunfal, es el conocido como capitel de la Asunción del Alma: dos ángeles ayudan al alma del difunto a subir a los cielos, mientras este se encuentra en el interior de una mandorla. No se reconoce al personaje, puede ser una representación de santa Marta, titular del templo, o el propio Jesús en la Ascensión a los cielos. De cualquier modo es una representación figurada de la resurrección del alma de los justos a los cielos.

Otros capiteles de especial interés por sus representaciones historiadas son las que encontramos en la ventana central del ábside, en el capitel izquierdo: escena del sacrificio de Isaac y en el de la derecha: David tocando el arpa ante el rey Saúl. En el muro lateral izquierdo, un capitel está decorado por dos aves que picotean algo en el suelo. En la columna del ángulo en la derecha del testero, vemos a dos personajes atrapados por una maraña de entrelazos. El resto de los capiteles muestran elementos vegetales, hojas y también piñas.

Palacio del obispo Acuña (palacio de los obispos de Astorga) Se construyó en 1550 (siglo XVI) como residencia de verano de los obispos de Astorga. De estilo renacentista, su fachada abre a una pequeña plaza que forma conjunto con la iglesia de santa Marta. Su fachada adelantada sobre el muro, se dispone en un arco carpanel, enmarcado por dos alargadas columnas de fuste estriado. Sobre la portada campea el escudo del obispo Acuña y la inscripción: Petrvs de Acvna de Avellaneda eps astoricen, ani 1550. A los lados del escudo dos medallones con las efigies de: Carlos I de España y del papa Julio III. En ellos se pueden leer las inscripciones: Carolvs V rohi mo hisp, rex ani 1550 e Ivlivs III pont. max. an 1550. Por encima de la portada formando parte de un segundo cuerpo, una ventana adintelada sirve de perfecto mirador a la plaza.

El resto de vanos de la fachada se distribuye con dos ventanas adinteladas en el primer piso y dos balcones con antepechos de hierro en el segundo piso. Hoy el edificio es utilizado como recepción de visitantes y centro cultural.