L’església és un exemplar fidel de l’estil de transició que l’Orde difon arreu. Té la planta de creu llatina i d’una sola nau, amb el creuer molt pronunciat i els absis carrats. La coberta de creueria ogival, fou construïda probablement al principi del segle XIV, en substitució de la volta romànica. La porta principal (s. XIII) és decorada amb un dels primers relleus de Santa Maria que surten en un timpà, a Catalunya.
El cimbori-campanar en forma de llanterna octogonal acabada en piràmide és un exemplar únic. A més d’ésser d’extraordinària bellesa, és una de les obres més atrevides de l’arquitectura medieval.
L’interior del temple ens meravella per la seva simplicitat i l’admirable joc de llums. A la dreta de l’altar veiem el sarcòfag senzill i llis, de la reina Violant d’Hongria, muller de Jaume I el Conqueridor, la qual va voler ser enterrada a Vallbona; davant mateix a l’altre costat, hi ha la tomba de la princesa Sança d’Aragó, filla d’amdós.
A la dreta del cor, tocant a la reixa, hi ha la capella de Corpus Christi amb uns relleus admirables, atribuïts a la millor escola del gòtic. D’aquest altar provenen els dos impressionants antipendis (de mitjan segle XIV), de tema eucarístic, que ara es conserven al Museu Nacional d’Art de Catalunya. Presideix aquesta capella una imatge esvelta, de la Mare de Déu del cor. És de pedra policromada, obra de Guillem Seguer (s. XIV).

El claustre té forma trapezoïdal. Els diversos estils i èpoques donen una singular varietat dins un mateix tema de simplicitat i d’austeritat. La nau sud (s XII) és d’estil romànic primitiu i no té cap mena de decoració. La nau de llevant (s. XIII) també és romànica, adornada aquesta amb petits rosetons i capitells d’una gran bellesa. La nau nord (s XIV) pertany a la millor escola d’estil ogival, i finalment, la nau de ponent (s. XV) és una construcció neoromànica, amb elements típics renaixentistes.

La sala capitular de finals dels segle XIV impressiona per la seva nuesa. La porta ogival que hi dóna accés és molt esvelta i guarda simetria amb la nau del claustre. Cal destacar la imatge de la Mare de Déu de la Misericòrdia, de terra cuita policromada atribuïda a Pere Joan (s.XV), el famós escultor de la façana del Palau de la Generalitat de Barcelona, i l’esplèndida col·lecció de lloses sepulcrals d’abadesses.

La capella de la Mare de Déu del Claustre fou edificada l’any 1895 i en ella s’hi venera una magnífica escultura sota l’esmentada advocació.  Probablement fou la primera imatge de Santa Maria (s. XII) que presidí el temple durant el període romànic.

L’arxiu és molt ric en documents i és de gran interès per a la historiografia comarcal i nacional.
Es d’esperar que aviat es pugui obrir el Museu Monàstic on s’hi exposaran diferents objectes de culte (s. XVIII-XX), mobles (s. XVII-XX) i també una interessant farmàcia antiga amb peces de gran valor.
El cenobi de Santa Maria fou declarat monument historicoartístic per decret del 3 de juny de 1931.