Estudiada, entre otros, por Ponz, Chueca, Martín González, García Chico y Bustamante -como señala José Ignacio Linazasoro, a quien se debe el proyecto de rehabilitación del edificio- Santa Cruz era el reflejo de la incidencia de toda una serie de influencias culturales que recibió la arquitectura española de esos momentos, reflejo cristalizado, sin embargo, en una obra única y singular y de una rara monumentalidad para este  período; quien no duda en clasificarla como uno de los monumentos más interesantes de la arquitectura española de finales del siglo XVI y mediados del XVII .

 El templo se levanta de acuerdo a las trazas presentadas por Felipe de la Cajiga, y en la dirección de la fabrica se sucederán importantes arquitectos de la escuela clasicista, seguidores de Juan de Herrera: Pedro Mazuecos, Juan de Nates, Juan González de Cisniega, entre otros.

Destaca su fachada que sigue, casi literalmente, el proyecto que diseñara Vignola para la iglesia de Il Gesú en Roma; en síntesis con la concepción herreriana, recibiendo la influencia de la catedral de Valladolid. Se compone con un esquema en dos cuerpos, con pilastras de orden corintio, remates de bolas sobre pedestales, nichos enmarcados por tabernáculos y un enorme frontón. En ella prima lo arquitectónico y la tendencia a la geometría, con una desornamentación propia del espíritu contrarreformista y su interpretación herreriana. La escasa decoración escultórica: relieves sobre las puertas laterales y esculturas en los nichos, fue realizada por Pedro de Sierra en el s.XVIII.

En su interior, de gigantescas proporciones, destaca la unidad compositiva y la sobriedad. Presenta una inmensa nave, cubierta con bóveda de cañón, y capillas laterales entre los contrafuertes, con pilastras de orden corintio, que sostienen un entablamento del mismo orden. Un impresionante arco de triunfo enmarca la capilla mayor, con cúpula elíptica de Francisco Cillero.

Este magnífico edificio custodia en la actualidad, tras una importante labor de restauración, el rico patrimonio cultural de la Semana Santa riosecana.