"Martyrium" à deux étages, sur une structure provenant du monde romain, où la partie inférieure était consacrée aux enterrements et la supérieure au culte. En Espagne, ce genre de construction existait déjà au moins depuis l'art paléochrétien car nous trouvons des structures du même genre dans le Mausolée de la Alberca à Murcia, Santa Eulalia de Bóveda à Lugo, bien que dans ce cas il ne s'agisse pas d' un
"martyrium", et la Cripta de San Antolín à Palencia, visigothe du VIIème siècle. Ce modèle atteindra sa plus grande expression, dans l'art hautmédiéval, avec le palais de Santa María del Naranco, construit aussi à Oviedo, environ 50 ans après la Chambre Sainte.
Bien que les chroniques de l'époque n'y fasse allusion qu'à partir de celle de Silos, au début du XIIème siècle, aussi bien sa structure que son genre de construction, à base de petites pierres de taille, tels que ceux de la tour de San Miguel à laquelle elle est adossée, situent sa construction pendant le règne d'Alfonso II el Casto, au début du IXème siècle, probablement en tant que chapelle palatine. Le étage supérieur fut modifié au XIIème siècle, oú la hauteur de la nef fut augmentée, remplaçant la toiture plane originelle par une voûte en berceau, supportée par des arcs doubleaux s'appuyant sur six doubles colonnes, décorées avec les Apôtres, 
l'un des ensembles sculpturaux les plus intéressants du roman español. Malheureusement, comme beaucoup d'autres monuments préromans, elle fut l'objet de la barbarie qui se déchaîna en Asturies en 1934 et subit de graves dommages, pour être reconstruite par la suite entre 1938 et 1942.
Le étage inférieur, consacré à Sainte Léocadie dont les restes, avec ceux de Sainte Eulogia, furent apportés de Cordoue par Alfonso III, représente une nef rectangulaire de 10m de long sur 3m de large, couverte d'une voûte de briques en berceau de 2,60 de hauteur qui, comme dans la Crypte de San Antolìn, 
s'appuie sur un socle de pierre adossé sur trois de ses côtés. Sur chaque côté s'ouvrent deux fenêtres de grande embrasure et une porte déprimée à l'extérieur mais avec une légère pente vers l'intérieur. De plus, il y a une petite fenêtre au chevet, dans un arc en plein cintre sur des colonnes et des chapiteaux qui encadrent aussi un petit tabernacle, formant ainsi un ensemble qui rappelle le chevet de San Antolín. Des restes de supports de chancel, situés sur le sol, ont été conservés, devant la zone qui serait consacrée à l'autel, ainsi que quelques pierres tombales, parmi lesquelles se trouve la dalle du sépulcre visigoth d'Itacio,
l'une des plus intéressantes qui nous soit arrivée de cette période. Il est évident que cette nef inférieure était située au niveau du sol, avec accès direct par les portes qui se trouvaient de chaque côté et probablement dans un cimetière, comme il arrive dans d'autres constructions de ce genre à des époques antérieures et même à l'époque carolingienne, puisque quelques sépultures du Xème siècle sont apparues dans les excavations environnantes.
Le étage supérieur consacré à San Miguel, comme il était habituel dans ce genre d'édifice, dispose d'une nef et d'une abside. Il reste très peu de la nef originelle car, comme nous l'avons déjà commenté, elle fut modifiée au XIIème siècle. Nous savons qu'elle était plus haute que 
l'abside et qu'elle était recouverte d' une toiture plane en bois. Cependant, le presbytère originel a été conservé ainsi que son arc triomphal, appuyé sur des semi-colonnes adossées a une pilastre, avec des chapiteaux d' influence byzantine peut-être d'une époque antérieure et réutilisés. Cet arc donne naissance à la voûte de briques en berceau qui couvre le chevet, partant d'une imposte prolongée tout au long des murs latéraux. Au fond, il existe une fenêtre encadrée par des colonnes encastrëes et des chapiteaux décorés de façon similaire.
À l'intérieur sont conservées les reliques offertes par les rois Asturiens à la Cathédrale de San Salvador, disparue de nos jours étant donné que l'actuelle cathédrale gothique fut, malheureusement, construite sur elle au XIVème siècle. Il s'agit d' un des ensembles d'orfèvrerie les plus significatifs qui se conservent du haut moyen-âge , et qui inclut des pièces aussi importantes que la Croix des Anges (Cruz de los Angeles) (808), la Croix de la Victoire (Cruz de la Victoria) qu'Alfonso III commanda au château de Gauzon pour la Cathédrale d'Oviedo en 908, ou la Boîte des Agathes (Caja de las Agatas) offerte à la Cathédrale par Fruela II en 910.
On suppose que cet édifice, d'après la reconstruction de l'ensemble palatin proposé par V. Hevia après les excavations, était adossé à la tour qui occupait l'extrême 
droite du palais construit par Alfonso II quand il transporta la cour à Oviedo, bien que nous ne sachions pas exactement s'il s'agissait d'une chapelle palatine où les reliques étaient conservées, ce qui nous paraIt le plus probable, ou d'un "martyrium" entouré d'un cimetière. De toutes façons, il ne fait aucun doute qu'il faisait partie de la structure de la ville aulique que Tioda planifia pour représenter la capitale d'un nouveau royaume que ce monarque était en train de créer, tant par son type de construction, à base de petites pierres de taille et de contreforts qui furent prolongés lors de la modification du XIIème siècle, que par le genre de décoration, sans oublier le fait d'être adossé à la tour de San Miguel qui faisait partie de ce palais. Cependant, il faut souligner deux points très importants dans la structure de la Chambre Sainte: il y apparait des arcs aveugles décorant les murs extérieurs, ce qui n'était pas habituel dans le préroman espagnol, et que l'on trouve de façon généralisée dans les premières églises du haut-aragonais. D'autre part, dans le étage inférieur apparait la première nef recouverte d'une voûte de l'art asturien, type de voûte qui, jusqu' alors ,n'existait que dans les chapelles du chevet des églises. Il est évident qu'il ne s'agissait pas d'un nouveau système puisque nous trouvons des voûtes de ce genre en Espagne à des époques très antérieures, mais jusqu'à ce moment-là les architectes asturiens n'avaient osé l' utiliser que dans de petits espaces. Ce fait convertit la Chambre Sainte en un clair antécédent des constructions de la période "ramirense", dans laquelle Santa María del Naranco reprend une partie du modèle, bien qu'avec une voûte de plus dans le étage supérieur et une plus grande qualité dans son style de construction et dans sa décoration sculpturale.
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