La iglesia es obra de varios arquitectos discípulos de Juan de Herrera (arquitecto de El Escorial), por eso, el monasterio es denominado el «Escorial de la Mancha».​ Tiene planta de cruz latina de una sola nave, con cinco tramos y un coro elevado sobre un arco carpanel. El crucero es más alto y se cierra en forma de linterna. La cúpula es de media naranja y está adornada con gajos sobre pechinas, es de Antonio Segura. El cuerpo de la iglesia está separado del presbiterio por una verja decorada con las armas reales y la cruz de Santiago. Las capillas laterales (donde se muestra la historia de la Orden de Santiago y del Monasterio) están intercomunicadas. Su construcción se finalizó en 1598.

El retablo mayor original era de estilo greco-romano con tendencias barrocas, obra de Francisco García Dardero (siglo xvii), de él solo se conservan las pinturas de la parte superior. El resto fue expoliado por los republicanos al comienzo de la guerra civil, se reconstruyó en 1952 y es obra de Julia Alangua. El cuadro de Santiago que preside el retablo es obra de Francisco Rizi, restaurado en los años 80 del pasado siglo.