Se encuentra situada en la calle Marqués de San Nicolás, más conocida como calle Mayor, y es la única que conserva claustro. Sus orígenes se remontan a una iglesia anterior, Santa María la Vieja, fundada por la Orden del Santo Sepulcro, cuyos restos aparecieron en el patio del claustro. Al parecer, gracias a una donación que hizo Alfonso VII “El Emperador”, se decidió hacer una nueva construcción, la actual Santa María de Palacio, que visitara después Carlos I en 1520.

Este templo tiene tres naves, transepto y triple cabecera, la central de testero recto y las laterales ochavadas, comunicadas entre sí. La parte más antigua es la zona de los pies, que se corresponde con las obras románicas realizadas a finales del siglo XII o comienzos del XIII.

La cabecera y el transepto se construyeron a comienzos del siglo XVI. El resto de la iglesia, aunque conserva restos de finales del siglo XV, fue reformada en su mayor parte en el siglo XVIII. En el ángulo suroeste se levanta la torre campanario (1549-1552), formada por cuatro cuerpos. Bajo ella, al sur, la portada (1626- h. 1628), estructurada en un gran arco de medio punto que protege un retablo clasicista de dos cuerpos. En el primero se encuentra el ingreso y en el segundo una hornacina en arco de medio punto alberga la imagen de la Asunción de la Virgen, flanqueada por escudos imperiales.

En el pórtico de entrada, se conservan restos arquitectónicos de la obra románica en el muro sur, y una pila de agua bendita de 1747. Sobre la nave central se levanta una linterna de planta octogonal, conocida como “la Aguja”, que es uno de los elementos más significativos de la ciudad. Es una obra gótica construida bien entrado el siglo XIII. Tiene forma piramidal con buhardillas en las que se abren ventanas de arcos apuntados, decoración de “crochets” en las aristas y vanos geminados en los cuerpos altos. Esta estructura no es visible desde interior, ya que fue cegada en el siglo XVIII por problemas de estabilidad.

En el lado norte se encuentra el claustro de planta irregular, con intervenciones desde el siglo XV al XVII. Destacan unos grandes lienzos con escenas de la vida de Jesús, realizados por el pintor José Vejes a mediados del siglo XVIII.

Entre el claustro y la sacristía, está la Capilla de la Antigua, donde destaca un retablo barroco con la imagen de la Virgen titular, realizada a finales del siglo XII o comienzos del XIII, con las cabezas rehechas en época posterior; y el sepulcro de Juan de Vergara yacente, obra de comienzos del siglo XVI.

En el interior, el ábside central acoge el retablo mayor, obra romanista de mediados del siglo XVI, realizado por el escultor Arnau de Bruselas, discípulo del aragonés Damián Forment, con quien trabajó en la Seo de Zaragoza. En él se narra la vida de Jesús, destacando en la calle central la Última Cena, el Árbol de Jesé o Genealogía de Cristo y la Asunción.

Los ábsides laterales y las cuatro capillas del transepto tienen sus muros decorados con frescos. Los pilares que separan estas capillas se decoran con las esculturas de San Fernando (a la izquierda) y San Hermenegildo (a la derecha). Tanto las pinturas como las imágenes son obras barrocas del siglo XVIII. En el primer tramo de la nave del Evangelio (izquierda), está la capilla de San Agustín con dos arcosolios lobulados ciegos, de la primera mitad del siglo XVI, construidos posiblemente para sepulcros. En el muro este hay un Cristo crucificado de tamaño natural, manierista de mediados del siglo XVI.

La siguiente capilla, dedicada a San Marcos, conserva dos tumbas en arcosolio apuntado con cabezas de león en las tapas de los frentes y escudos de armas de la familia Falces, construidas a finales del XV o principios del XVI. Destacan en ella la imagen de Nuestra Señora del Ebro, gótica del siglo XIV, y un crucifijo hispano-flamenco de finales del XV o comienzos del XVI.

A los pies de la nave central, se encuentra el coro bajo, amueblado con sillería clasicista de la primera mitad del siglo XVII y órgano barroco realizado en 1797 y reconstruido en 1956.

Misas: L-S a las 9:30 y a las 19:45. D: a las 10:00 y 12:00h