La iglesia es un ejemplar fielmente representativo del estilo de transición que la Orden difundió en todas partes. Tiene la planta de cruz latina, muy marcada, propia del románico, con una sola nave y los tres ábsides cuadrados. La cubierta de crucería ojival, fue construida probablemente a principios del siglo XIV, en sustitución de la bóveda románica.
La puerta principal (s. XIII) está decorada con uno de los primeros relieves de Santa María que aparecen en un tímpano en Cataluña.
El cimborio-campanario, en forma de linterna de ocho caras, además de poseer una extraordinaria belleza, es una de las obras más audaces de la arquitectura medieval, puesto que se apoya totalmente sobre unas bóvedas que carecen de contrafuertes.
El interior del templo nos maravilla por su simplicidad y por el admirable juego de luces. En el lado derecho del altar, vemos el sarcófago sencillo y liso, de la reina Violant de Hungría, esposa de Jaime I el Conquistador, quien quiso ser enterrada allí, sin ningún ornamento; justo enfrente, al otro lado, se halla la tumba de la princesa Sancha de Aragón, hija de ambos.
A la derecha del coro, junto a la reja, se encuentra la capilla del Corpus Christi, con unos admirables relieves, atribuidos a la mejor escuela del gótico. De este altar provienen los dos impresionantes antipendio (de mediados del siglo XIV), de tema eucarístico, que actualmente se conservan en el Museo Nacional de Arte de Cataluña. Preside dicha capilla una imagen muy esbelta, de piedra policromada, obra de Guillem Seguer (s. XIV).

El claustro tiene forma trapezoidal. Es una curiosa y variada representación de los estilos que prevalecieron durante las primeras cuatro centurias del cenobio. El ala del mediodía muestra la más severa austeridad cisterciense y fue edificada a finales del siglo XII. La mayor parte de los capiteles son lisos.  El ala oriental ofrece ya todo el esplendor del románico, aunque también dentro de un marco de sencillez (s. XIII). El ala Norte es un magnífico ejemplar del estilo ojival (s. XIV) y por último el ala de poniente (s. XV), es una construcción neorrománica, con elementos renacentistas.

La sala capitular (s. XIV) impresiona por su desnudez. Destaca la finura y belleza de su portalada. Preside dicha sala la imagen de la Virgen de la Misericordia, de alabastro policromado, atribuida a Pere Joan (s. XV), el famoso escultor de la fachada del Palacio de la Generalidad de Barcelona.

La moderna Capilla de la Virgen del Claustro (1895), custodia una magnífica escultura venerada bajo esta advocación. Probablemente, fue la primera imagen de Santa María (s. XII) que presidió el templo durante el período románico.

El archivo es muy rico en documentos y es de relevante interés para la historiografía comarcal y nacional.
Es deseo de la comunidad que pronto pueda abrirse al público el Museo Monástico, que albergará diversos objetos de culto (s.XVIII-XX), muebles (s. XVII-XX) y también una interesante farmacia antigua con piezas de gran valor. El cenobio de Santa María de Vallbona fue declarado monumento históricoartístico por decreto del 3 de junio de 1931.