De planta basilical, tres naves de dos tramos, la central más alta y ancha que las laterales, crucero y nave de transepto no sobresaliente en planta. Las naves se cubren con bóvedas de medio cañón y arcos fajones de medio punto que descansan sin solución de continuidad en un pilar cruciforme. En la nave central de cada uno de los dos tramos se abre un pequeño vano en arco de medio punto. Otro vano más grande se abre en el hastial occidental sobre la puerta principal. Los arcos formeros que separan la nave central de las laterales siguen la misma estructura de apoyo en los pilares cruciformes. Los arranques de estos arcos simulan una herradura muy leve al disponer de una pequeña imposta en el arranque.

En el crucero se eleva un cimborrio de dos cuerpos, el primer cuerpo se alza con una base cuadrangular mientras que el segundo cuerpo lo hace con base octogonal de geometría irregular sobre trompas marcadas al exterior, se cubre con cúpula semiesférica. En el primer cuerpo se abren cuatro vanos de iluminación, uno por lado.

La cabecera está formada por tres ábsides semicirculares que se corresponden con cada una de las naves. Los ábsides se cubren con bóvedas de cuarto de esfera. El central más grande que los laterales. Adosado al ábside central, en su exterior se levanta una pequeña capilla de planta cuadrangular que guarda el camarín de la Virgen, este camarín es obra barroca realizada con piedra de sillería entre 1745 y 1748 (mediados del siglo XVIII) por el cantero de origen cántabro Andrés Julián de Mazarrasa (* 1714 † 1775). Para la construcción de este camarín hubo que ocultar en su exterior parte de los ábsides y por el interior hubo que perforar los muros de estos para realizar unos corredores laterales que pudieran ordenar los accesos al camarín. El objeto de este camarín como suele ser habitual, tiene la función de permitir la cercanía de los fieles a la imagen de la Virgen, bien a través de ofrendas o permitiendo directamente tocar en ocasiones el manto de la Virgen o prendas que han estado en contacto con ella. Este camarín tiene una gran ventana adintelada en el eje central de la capilla que permite la vista desde el exterior.

Dispone de dos portadas, la habitual situada en la fachada occidental y una lateral en el acceso a la nave de transepto de la fachada sur, hoy cegada ya que la misma fue ocultada en un momento en que la fachada sur se había construido la casa del ermitaño, hoy desaparecida. La portada principal se abre en un arco de medio punto apoyado en una imposta y directamente sobre las jambas. En lo alto una espadaña con un solo vano, realizada en el siglo XVII, un pequeño frontón triangular y adornos de tres bolas; bajo ella un ventanal aspillerado en arco de medio punto.

El templo está construido en sillarejo de piedra caliza, destaca en su exterior la decoración de arquerías ciegas y bandas lombardas propias del románico catalán que corren por los muros de la nave transepto, de los ábsides y del segundo cuerpo del cimborrio. El templo carece de contrafuertes, lo que obliga a que los muros sean muy gruesos y los vanos especialmente pequeños pese al gran tamaño de la ermita.

El estilo constructivo de la ermita de la Anunciada se adscribe al románico lombardo, toma su nombre por considerarse un estilo que entró en la península ibérica desde Lombardía (Italia) por el pirineo catalán, y en esa zona quedaron lo mejor de sus obras. Las construcciones de este estilo en la meseta norte peninsular no dejan de llamar la atención. Tradicionalmente, la historiografía ha buscado justificar este singular islote arquitectónico catalán en tierras castellanas a través de figuras lejanas, como el obispo Poncio de Tabérnolas a principios del siglo XI con vínculos en la Marca Hispánica. No obstante, las fechas de construcción del templo —estimadas entre el último cuarto del siglo XI y los inicios del XII— obligan a descartar estos mecenazgos tan tempranos a favor de conexiones políticas mucho más maduras y sincrónicas.

El verdadero punto de unión estriba en la influencia que la Marca Hispánica y los condados catalanes orientales proyectaron sobre el reino de Castilla a finales de la centuria. Este flujo cultural se materializa en un puente dinástico conocido: el matrimonio del conde de Urgell, Ermengol V el de Mollerusa (r. 1092 -1102), con María Pérez Ansúrez en 1095, hija del conde de Saldaña Pedro Ansúrez. Este enlace, consolidado en los últimos años del siglo XI, propició no solo el asentamiento de una corte de origen catalana en la zona de Valladolid y Tierra de Campos, sino también el probable traslado de cuadrillas de maestros de obra pirenaicos hacia Castilla. Fueron estos artífices quienes importaron las técnicas del primer románico (como el aparejo de sillarejo, las lesenas y las arcuaciones ciegas), adaptando el lenguaje artístico de los condados orientales a un entorno predominantemente castellano. Los artesanos y canteros medievales se trasladaban de una comarca a otra con sus conocimientos y experiencias, pero rara vez cambiaban de reino. Este edificio demuestra que los contactos y el flujo de maestros canteros también se daban entre distintos reinos. Las cuadrillas de canteros acudían a la llamada de obispos y señores con los que ya habían mantenido contactos en los condados de la Marca Hispánica, de ahí que ocasionalmente aparezcan edificios con impronta lombarda.

En el ábside central se conserva el retablo mayor, obra barroca del siglo XVII que conserva la imagen de la Virgen de la Anunciada del siglo XIII. En la hornacina central se guarda esta imagen de la patrona de Urueña, la Virgen de la Anunciada. Talla de bulto redondo del siglo XIII, la imagen figura en posición sedente y con el Niño sobre la rodilla izquierda, (la virgen teotokos, madre de Dios), está realizada en madera policromada. En el siglo XVII la Virgen fue vestida con un manto, transformándose en una imagen de vestir. Flanquean a la Virgen, dos lienzos, uno de ellos con los Desposorios de la Virgen María y el segundo la Visitación de la Virgen a santa Isabel. En el ático vemos el anagrama de la Virgen María, la M y la A rodeada por una corona de laurel y la corona que la identifica como reina de los Cielos.

El ábside la nave del evangelio, guarda en un altorrelieve el retablo del siglo XVI de san Jerónimo, en la que podemos ver a san Jerónimo medio desnudo en actitud penitente, rodeado de la iconografía que le es propia: el manto purpura cardenalicio, el capelo, el león, la calavera y un libro en alusión a la Vulgata, traducción de la Biblia hebrea que realizó el santo al latín vulgar.

En el ábside del lado de la epístola, encontramos un retablo barroco del siglo XVII con un lienzo de la Anunciación de la Virgen y otro de san Pedro, ambos en bastante mal estado de conservación.