Su primitiva fábrica fue románica, pero se amplió y remodeló en repetidas ocasiones durante la época gótica, rehaciéndose casi por completo, a la vez que se cambiaba la orientación de su cabecera a fines del siglo XVI.
La iglesia actual se hizo entre 1585 y 1592, según trazas renacentistas, pero con tradición gótica y fue su constructor Juan Marrón. La puerta principal es obra de 1603, realizada por los canteros Laroza, Pontones y Aguilera. Es una iglesia de tipo de salón, de tres naves con capillas entre los contrafuertes y cabecera con coro; igualmente se hizo un baldaquino a imitación del que se halla en el Vaticano. El grupo de la Anunciación fue esculpido por el zaragozano Francisco Franco en 1682. El coro y órgano pertenecen a la antigua iglesia y son obra del siglo XV. Este órgano está considerado como de los mejores de España y en él fue maestro el célebre Pablo Bruna.
Del edificio románico -posiblemente construido sobre la Mezquita Mayor de Daroca una vez reconquistada la ciudad por Alfonso I en 1120- sólo se conserva el ábside orientado hacia el este, una ventana del crucero y la moldura con ajedrezado del primitivo lado del Evangelio. Su cabecera corresponde con la actual capilla de los Corporales; opuesta a ella, la puerta principal, del Perdón. Es obra de los últimos años del siglo XII y de los primeros del XIII. Llama la atención, al exterior, el particular sistema de montar el tejado, sobre modillones que apean en arquillos.
La puerta del Perdón presenta en su tímpano la visión del Apocalipsis: Cristo triunfante entre el sol y la luna, y ángeles que portan los instrumentos de la Pasión; es adorado por la Virgen y San Juan, que interceden por los hombres, los cuales son despertados de sus tumbas por ángeles trompeteros. Es obra del siglo XIV que fue remodelada arquitectónicamente en el siglo XV. La torre es de piedra sillar, obra de 1441, costeada por doña María, la mujer de Alfonso V, y enfunda otra anterior, mudéjar, de los siglos XIII y XIV.
En el interior de la iglesia, comenzando a la mano derecha de la entrada, se suceden distintas capillas. La primera, la capilla del Patrocinio, está cubierta con bóveda estrellada, acogiendo un retablo con mazonería renacentista, obra muy posiblemente de Juan de Palamines, en cuyo interior destacan grupos escultóricos policromados con figuras y relieves en alabastro, representando el Nacimiento de Jesús, la Coronación de la Virgen y la Adoración de los Reyes entre otros, todo obra del s. XV. A ambos lados se encuentran la sepultura en alabastro de una canonesa de Rueda, obra de finales del s. XV, y el sepulcro bajo arcosolio de un caballero yacente en sarcófago de rasgos renacentistas y ángeles góticos. La capilla se cierra con una verja del s. XVI.
Sigue la capilla de la Anunciación, mandada construir en 1609 por Pedro Terrer de Valenzuela. El retablo es obra de Juan Miguel de Orliens, concluído el 31 de octubre de 1609 dentro de un estilo romanista. En los muros laterales aparecen pinturas relativas a Melquisedec y Moisés. En las cuatro trompas aveneradas de la capilla se representa a los cuatro Evangelistas en altorrelieve, obra también de Orliens. En el pavimento está la lauda sepulcral de bronce perteneciente al arzobispo Terrer de Valenzuela. La verja que cierra la capilla, de bronce dorado con las armas de los Terrer, es obra del rejero de Zaragoza Juan Blanco con diseño de Juan Miguel de Orliens, quedando manifiesta la colaboración del escultor en la concepción total de la capilla.
La tercera, la capilla de los Corporales, es la antigua cabecera de la iglesia románica. Es una afortunada (y rara en España) construcción de tipo franco-flamenco. Toda la capilla forma parte de un conjunto unitario con decoración gótico-flamígera, siguiendo el concepto de capilla-relicario, donde se custodian los Corporales. Parece que se empezó por encargo de Juan II de Aragón y se terminó con el Rey Católico; en ella pudo trabajar el escultor darocense Juan de la Huerta y asimismo Pere Johán, que trabajaba en el retablo de La Seo de Zaragoza. A finales del siglo XVII se abrió el óculo que sirve de ostensorio y se pintaron las figuras con ribetes y lunares dorados. Llaman la atención los relieves que narran la historia del milagro de los Corporales, con un hábil y gracioso trabajo lleno de detalles documentales de la época.
Su primitiva fábrica fue románica, pero se amplió y remodeló en repetidas ocasiones durante la época gótica, rehaciéndose casi por completo, a la vez que se cambiaba la orientación de su cabecera a fines del siglo XVI.
La iglesia actual se hizo entre 1585 y 1592, según trazas renacentistas, pero con tradición gótica y fue su constructor Juan Marrón. La puerta principal es obra de 1603, realizada por los canteros Laroza, Pontones y Aguilera. Es una iglesia de tipo de salón, de tres naves con capillas entre los contrafuertes y cabecera con coro; igualmente se hizo un baldaquino a imitación del que se halla en el Vaticano. El grupo de la Anunciación fue esculpido por el zaragozano Francisco Franco en 1682. El coro y órgano pertenecen a la antigua iglesia y son obra del siglo XV. Este órgano está considerado como de los mejores de España y en él fue maestro el célebre Pablo Bruna.
Dejando a la derecha la entrada al Museo, penetramos en la capilla de la Purísima. Su interior acoge un retablo del s. XVII. El muro se abre lateralmente comunicando con el coro, situado en el centro de la cabecera del templo, en el que destaca la sillería capitular de madera, perteneciente al templo gótico, obra del fustero zaragozano Juan Lañes, realizada entre 1494 y 1495.
Frente al coro se encuentra el Altar Mayor, de estilo barroco, inspirado en el baldaquino de San Pedro de Roma. Se compone de cuatro columnas salomónicas de mármol negro, colocadas en 1677, sobre las que descansa un entablamento con las imágenes de los cuatro Doctores de la Iglesia, rematado en cúpula calada con linterna similar y armas de la Colegial y del obispo Terrer, mecenas de la obra. El interior se completa con el grupo escultórico de la Asunción, tallado en madera blanca por los zaragozanos Francisco y Pedro Franco en 1682 y quizá no terminado hasta cinco años más tarde.
Ya en el lado del Evangelio, comunicada con el coro, aparece la capilla de la Soledad con un retablo del siglo XVII. A continuación se pasa a la capilla del Cristo, que mandó construir mosén Domingo Moros, donándola en 1607. El retablo actual, con esculturas policromadas, data del siglo XVII. Ante él una serie de laudas sepulcrales.
Por ultimo, la capilla de San José, entregada a la familia Celaya, en cuyo frontal luce su blasón heráldico. El retablo, en madera dorada, pertenece al siglo XVIII. A ambos lados encontramos varios lienzos, representando uno de ellos a «San Jorge triunfando en la batalla de Alcoraz». Las pinturas de la cúpula las realizó Mariano Miguel en 1897.