El complejo de Santa María de Sigena está formado por edificaciones de distintas épocas: la parte más antigua (ábsides y la torre que hay junto a la puerta de la iglesia) corresponde al último cuarto del siglo XII; el resto fue terminado en 1258.

Si analizamos el plano del conjunto, podemos encontrar tres zonas.

Conjunto del claustro y dependencias en torno:

- El claustro centraliza el conjunto conventual. Posee planta cuadrada. En el centro existe un pozo. El claustro original no es el mismo que observamos hoy, ya que aquél se abría mediante 14 arcos de medio punto por cada crujía, que apoyaban en columnas y capiteles lisos. Estas arcadas fueron sustituidas por un armazón de ladrillo.

- En torno al claustro se ordenaban las dependencias principales de la comunidad. En el ala norte se ubicaba la entrada principal, entre dos torreones desaparecidos. Esta ala se articula mediante dos naves paralelas en sentido longitudinal; la externa está constituida por un patio y las dependencias de la reina, que posteriormente pasarían a ser enfermería y dormitorios; la nave interior albergaba el dormitorio de dueñas y el de medias cruces, estancias que se cubrían con bóvedas sobre arcos apuntados, cuya armazón puede contemplarse en la actualidad.

- El ala oeste albergaba el locutorio y la zona destinada a las novicias.

- El ala este, configurado, por la continuación del dormitorio de dueñas, que hacía esquina, y la sala capitular sobre la que se levantaron dormitorios y una biblioteca, y que albergó en su día el conjunto de pintura mural que hoy se conserva en Barcelona.

- El ala sur estaba compuesta por vestíbulos, cocina, comedor y coro, a través del cual se accedía a la iglesia.

Iglesia:

- Posee planta de cruz latina, de una nave de cuatro tramos, cubierta por bóveda de cañón sobre fajones apoyados en pilastras, que se acusan al exterior a través de contrafuertes.

- Originalmente la nave culminaba en tres ábsides semicirculares, el central de mayor tamaño; en él existía un retablo barroco del siglo XVIII que se perdió en el incendio que asoló el conjunto durante la guerra.

- El ábside del lado del evangelio se demolió en el XVIII para construir en su lugar el panteón de religiosas.

- Prolongando el brazo norte del crucero se abrió el que sería panteón real en el siglo XIII, que se denominaría capilla de San Pedro. En él se colocaron los sepulcros bajo arcosolios de doña Sancha y sus hijos Pedro II, Doña Dulce y la Condesa Leonor. Sobre la capilla se erigía una torre-campanario.

- En el brazo sur del crucero se abría la capilla de la Trinidad, hoy desaparecida, con los restos de un torreón.

- La portada de la iglesia se abre en el muro sur, y fue construida en un cuerpo adosado al muro, ocupando un tramo y parte de otro. Está constituida por 14 arquivoltas de medio punto que apoyan en una alternancia de columnas con y sin capitel, todo ello sin decoración.

- Junto a ella, existe un pequeño cuerpo de planta cuadrada que alberga una escalera de caracol de acceso a la torre de señales. Presenta algunas saeteras muy finas en sus caras, y se cubre con una bóveda de horno.

Edificaciones extraconventuales

Se trata de un conjunto de edificios erigidos fuera del recinto propiamente dicho, que se distribuyen en torno a un patio central con una puerta que constituye el acceso en la actualidad: flanqueando el ala occidental del recinto se levantan las estancias de los frailes, oficiales y servidores; adosado al ángulo suroeste se sitúa el palacio prioral, la hospedería y las dependencias de servicio.