Iglesia de planta de cruz latina, tres naves de cuatro tramos, nave de transepto escasamente sobresaliente en planta. Crucero cuadrangular con cubierta de bóveda de crucería octopartita. Cabecera triabsidial semicircular, el central de mayor tamaño que los laterales, los tres precedidos por un corto tramo recto cubiertos por bóveda de cañón. Los ábsides se cierran con bóvedas de cuarto de esfera.

La nave central es el doble de ancha que las laterales y más alta. Se cubre con bóveda de cañón ligeramente apuntada soportada por arcos fajones doblados apuntados que apoyan en pilares cruciformes. En la nave central uno de los dos arcos doblados apoyan en semicolumnas que descansan en ménsulas adosadas al pilar, a la altura de la línea de imposta. Las naves laterales se cierran por tramos de bóvedas de arista con florón central y dos tramos con crucería simple Los materiales utilizados en la iglesia son la sillería de granito bien trabajada en la arquitectura y la pizarra para los tejados.

La parte más interesante del templo es su cabecera exterior, tres ábsides semicirculares, el central de mayor tamaño que los laterales. Así el central, se alza sobre un podium o zócalo de piedra, a partir de aquí se elevan cuatro semicolumnas que recorren toda la altura del ábside hasta la cornisa y que configuran cinco paños verticales. En cada uno de los paños centrales se abre un vano aspillerado inserto en un arco de medio punto con dos arquivoltas abocinadas que apoyan en cuatro columnillas acodilladas y con capiteles de adorno vegetal de hojas y bolas. Bajo el tejado corre una colección de canecillos lisos.

Los ábsides laterales guardan la misma configuración que el central, en ambos casos sin embargo, en lugar cinco paños y tres vanos, aquí encontramos tres paños y un solo vano, por lo demás la decoración de las ventanas siguen características similares.

En el hastial exterior de la nave de transepto norte encontramos una arquería de cuatro arcos ciegos lanceolados, estos descansan en una imposta interrumpida. En altura el muro de transepto se divide en cuatro lienzos horizontales separados por impostas, en el superior encontramos una ventana aspillerada inserta en un arco de medio punto apoyado en dos pequeñas columnas.

Por su parte en el hastial del transepto sur, aparte de algunas ventanas, solo hay una puerta hoy cegada que permitía la entrada de los monjes desde el claustro hasta el interior de la iglesia. Del claustro situado en la fachada sur ya no queda más que algún mínimo resto, se cree que las piedras del claustro que después de la desamortización de Mendizábal acabaron en el suelo por abandono, fueron utilizadas en la construcción de muchas viviendas y locales de los pueblos de los alrededores.

Como monasterio cisterciense que era, la decoración escultórica es casi inexistente, esta se circunscribe a los capiteles que se decoran con elementos de temática vegetal muy esquematizada y solamente en alguna ocasión aparece alguna decoración figurada como pequeñas cabecillas. Desconocemos la decoración que pudo tener el claustro pues este ha desaparecido, pero nada hace pensar que la tónica general no fuera la misma.

En el presbiterio se guarda una imagen de la Virgen Peregrina (finales siglo XVII), patrona de San Martín de Castañeda, además de una gran escultura de bulto redondo de san Martín de Tours partiendo su capa con un pobre. El retablo mayor es obra renacentista del siglo XVI, así como el púlpito en piedra de la misma época. El retablo mayor es obra renacentista del siglo XVI, formado por banco, dos cuerpos horizontales de tres calles y ático. La iconografía del retablo mayor no la tenemos muy clara, vemos presidiendo el retablo desde la hornacina central una imagen de Santa María. En la calle central inferior imagen de Cristo en la cruz y en el ático el Calvario con fondo pictórico. En el piso inferior flanqueando al crucificado, dos imágenes de bulto redondo: san Benito de Nursia y san Bernardo de Claraval. Las dos figuras que flanquean a la Virgen María en el piso superior no las tenemos debidamente contratadas.

Otros retablos que guarda la iglesia son los dedicados a san Benito de Nursia, san José y san Juan Bautista, todos ellos distribuidos por los muros laterales del templo.

Portada occidental Situada a los pies del templo, fue realizada en 1571 (siglo XVI) en estilo renacentista, tiene un gran tímpano en el que se puede ver a san Martín cortando la capa con un pobre, dos escudos de la Congregación de Castilla y del Cister en los laterales y un vano adintelado como entrada. A la derecha de la puerta se encuentra la lápida fundacional, cuya ubicación empotrada en este lugar no es la original. En el dintel bajo el tímpano una inscripción dice: AD 1571 (anno domini).

En la chambrana o arco exterior de la portada decoración de puntas de diamante, único resto de la antigua portada románica. En la arquivolta inferior una inscripción dice: MARTINUS ADHUC CATHECUMENUS HAC ME VESTE CONTEXIT Martín, aún catecúmeno, me cubrió con este manto.

Sobre la portada un gran óculo protogótico con decoración de puntas de diamante permite la iluminación interior del templo desde los pies. En el hastial coronando la parte más alta, una espadaña del siglo XVIII. Formada por dos cuerpos, en el inferior se abren dos vanos con dos campanas, en el superior, un vano sin campana y un remate triangular.

Portadas fachada sur En la fachada sur podemos encontrar hasta tres portadas o accesos. En el primer tramo la puerta de conversos, la segunda en el cuarto tramo la puerta de los monjes. Entre ellas un muro contrafuerte o muro de contención en forma de talud que fue realizado a finales del siglo XIX y rehecho en el XX. Con la desaparición del claustro, la estabilidad del templo estaba en peligro, ya que el claustro de alguna manera hacía de contrafuerte que contrarrestaba el peso de la iglesia en su flanco sur, aprovechando restos del claustro, se levantó este muro de contención, algo que adolece de estética pero que cumple perfectamente su función. A la altura de la nave de transepto, una tercera puerta actualmente cegada.

Puerta de conversos En el primer tramo del templo, permitía la entrada desde el claustro hasta el interior de la iglesia. Actualmente cegada, estructurada con doble arco doblado aristado de medio punto y sin decoración. A los pies del templo, escondida entre los muros de contención de la fachada sur pasa un tanto desapercibida. Su nombre lo recibe por ser la puerta de entrada de los monjes conversos o monjes legos al templo, ya que según la orden cisterciense cada grupo de monjes debían tener su entrada diferenciada.

Puerta de los monjes Permitía el acceso de los monjes de coro o monjes capitulares desde el claustro hasta el interior del templo. Situada en el cuarto tramo daba acceso al claustro (ya desaparecido). Consta de un arco de medio punto peraltado y cinco arquivoltas lisas aristadas que apoyan en dos parejas de columnas acodilladas con capiteles de decoración vegetal muy simples.

Junto a esta puerta se encuentra una pequeña sala abovedada de la que se desconoce su uso, pudiera ser el armarium o bien haber sido utilizada como lugar de enterramiento de algún noble benefactor del monasterio. El armarium era un lugar donde los monjes guardaban los libros que usaban en sus paseos por el claustro en lecturas diarias y que una vez utilizados volvían a este lugar.

Puerta acceso al transepto Actualmente cegada, del siglo XVI, da paso a la nave transepto. Junto a ella y formando parte del muro exterior de la antigua sacristía, encontramos restos de lo que fue el antiguo claustro ya desaparecido. En el muro exterior de la antigua sacristía podemos ver los restos de los arranques donde apoyaban los arcos del claustro, las formas de sus arquerías góticas y también dos arcosolios que pudieran corresponder con enterramientos del claustro. Es lo único que ha pervivido del desaparecido claustro.

Sacristía Del siglo XVI esta antigua sacristía también fue utilizada como sala capitular. Tiene su entrada por el interior del templo. De planta rectangular y dos tramos, se cubre con unas espectaculares bóvedas renacentistas de nervios estrellados con claves pinjantes. La entrada desde el templo dispone de un tímpano con un relieve de Dios Padre y una inscripción que no hemos podido descifrar. Al exterior destacan sus tres grandes contrafuertes de la fachada oriental.

Centro de Interpretación "Parque Natural Lago de Sanabria" Este edificio era la antigua portería del convento, construida en el siglo XVIII en estilo barroco, de su estructura barroca original solo se ha conservado la fachada. Sin embargo de la estructura medieval del siglo XIII si se ha conservado una sala de dos tramos (la más cercana a los pies de la iglesia) cubierta con bóvedas de crucería y que ha quedado incluida en la estructura barroca de la antigua portería barroca. Hoy esta sala es aprovechada para la proyección de audiovisuales. En la fachada del edificio se puede ver la fecha de 1760 por encima del arco.

En el interior se puede ver una colección de todos aquellos elementos encontrados en la excavación del monasterio y amplios paneles informativos tanto sobre la historia del lago de Sanabria y la historia del Cister. Entre los elementos que se atesoran en el museo encontramos: dos sarcófagos en piedra con tapas de madera de nogal y efigies de un hombre y una mujer en posición muy hierática (de finales siglo XIV, principios del XV) y que a falta de nombres, se considera pudieran ser benefactores del monasterio. También se conservan restos de columnas del antiguo coro de monjes, indumentaria de trajes regionales, herramientas de trabajo tradicionales y utensilios de la vida cotidiana en la comarca sanabresa. Muestra de piezas religiosas e imaginería recuperada del propio monasterio y su entorno, paneles y contenidos que recuerdan la estancia de Miguel de Unamuno y la inspiración del escritor en estas tierras (muy ligadas a su obra San Manuel Bueno, mártir)

Marquesa de Villachica En 1855 Manuel Ramón Villachica y Arza († 1875), financiero alavés de gran capacidad económica, adquiere después de la desamortización de Mendizábal de 1836, todas las propiedades y derechos que tenía el monasterio, incluida la propiedad del lago de Sanabria. Solo la iglesia por estar en funcionamiento como iglesia parroquial se libró de la compra. La República (1931-1939) confiscó en 1932 el lago de Sanabria al declararlo Bien de Dominio Público. La propiedad del lago la ostentaba en ese momento Victoriana Benita Villachica y Murgoitio-Beña (Eibar, Guipuzcoa 12-01-1870 † Madrid 03-12-1961), conocida como la marquesa de Villachica. La intitulación de marquesa de Villachica no se corresponde con la nobleza titulada, es decir, el título no existe, el apodo de marquesa le viene por el gran poder económico que tenía y no por qué dispusiera de título alguno. Victoriana Villachica era hija natural de Luis Villachica y Rivacoba († Madrid 1920) y una criada, era por tanto nieta de Manuel Villachica. No fue reconocida por su padre hasta 1903 y a la muerte de este, le dejó toda la fortuna acumulada, ya que el resto de linaje Villachica habían fallecido sin sucesión. Aunque después de la Guerra Civil (1936-1939) reclamó la devolución del lago, este derecho le fue denegado con carácter definitivo.