Edificio martirial de doble planta, siguiendo un diseño que proviene del mundo romano, en el que la parte inferior se dedica a enterramientos y la superior al culto. En España existen antecedentes al menos desde el arte paleocristiano ya que encontramos estructuras del mismo tipo en el Mausoleo de la Alberca en Murcia, Santa Eulalia de Bóveda en Lugo, aunque en este caso no se tratara de un edificio martirial, y la Cripta de San Antolín en Palencia, visigoda del S. VII. Este modelo llegará a su máxima expresión, dentro del arte altomedieval, en el palacio de Santa María del Naranco, construido también en Oviedo unos 50 años después que la Cámara Santa.
Aunque las crónicas de la época no la mencionan hasta la de Silos, de principios del S. XII, tanto su estructura y su aparejo, a base de sillarejo, como los de la torre de San Miguel, a la que está adosada, sitúan su construcción en el reinado de Alfonso II el Casto, a principios del S. IX, posiblemente como capilla palatina. La planta superior fue modificada en el S. XII, en que se incrementó la altura de la nave, sustituyendo el tejado plano original por una bóveda de cañón, soportada por arcos fajones que se apoyan en seis columnas dobles, decoradas con los Apóstoles, 
uno de los conjuntos escultóricos más interesantes del románico español. Por desgracia, como otros muchos monumentos prerrománicos fue objeto de la barbarie desatada en Asturias en 1934, en la que sufrió graves desperfectos, siendo reconstruida entre 1938 y 1942.
La planta inferior, dedicada a Santa Leocadia, cuyos restos, junto a los de San Eulogio, fueron traídos posteriormente desde Córdoba por Alfonso III, es una nave rectangular de
10m de largo por 3m de ancho, cubierta por una bóveda de cañón en ladrillo de 2,60m de altura que, como en la Cripta de San Antolín, se apoya sobre un zócalo de piedra adosado a tres de sus lados. En cada costado se abren dos ventanas de gran derrame y una puerta adintelada al exterior pero con un ligero derrame hacia el interior. Además hay una pequeña ventana en la cabecera, dentro de un arco de medio punto sobre columnas y capiteles que también enmarcan un pequeño tabernáculo, formando un conjunto que recuerda a la cabecera de San Antolín. Se conservan restos de soportes de canceles, situados en el suelo, por delante de la zona que estaría dedicada al altar, y algunas laudas sepulcrales, entre ellas la tapa del sepulcro visigodo de Itacio, 
una de los más interesantes que nos han llegado de ese periodo. Es evidente que esta nave inferior estaba situada al nivel del suelo, con acceso directo por las puertas existentes en cada costado y posiblemente en el entorno en un cementerio, como sucede en otras construcciones de este tipo en épocas anteriores e incluso en la carolingia, ya que en las excavaciones aparecieron algunas sepulturas del S. X en su entorno.
La planta superior, dedicada a San Miguel como era habitual en este tipo de edificios, consta de una nave y un ábside. Queda muy poco de la nave original ya que, como hemos comentado, fue modificada en el S. XII. Sabemos que era de mayor altura que el 
ábside y estaba cubierta por techumbre plana de madera. Sin embargo se conserva el presbiterio original y su arco triunfal, sostenido sobre semicolumnas adosadas a una pilastra, con capiteles de influencia bizantina quizá de época anterior reutilizados. Este arco da origen a la bóveda de cañón en ladrillo que cubre la cabecera partiendo de una imposta corrida a lo largo de los muros laterales. En el fondo existe una ventana enmarcada por columnas entregas y capiteles con decoración del mismo tipo.
En su interior se conservan las reliquias ofrecidas por los reyes asturianos a la Catedral de San Salvador, hoy desaparecida ya que desgraciadamente sobre ella se construyó en el S. XIV la actual catedral gótica. Se trata de uno de los conjuntos de orfebrería más significativos que se conservan de la alta edad media, que incluye piezas tan importantes como la Cruz de Los Ángeles (808), la Cruz de la Victoria, que Alfonso III mandó hacer en el castillo de Gauzón para la Catedral de Oviedo en el año 908 o la Caja de las Ágatas, regalada a la Catedral por Fruela II en 910.
Este edificio, según la reconstrucción del conjunto palacial propuesta por V. Hevia después de las excavaciones, se supone estaba adosado a la torre que ocupaba el extremo 
derecho del palacio que construyó Alfonso II al trasladar la corte a Oviedo, aunque no está claro si se trataba de una capilla palatina, en la que se conservaban reliquias, lo que nos parece más probable, o una construcción martirial, rodeada de un cementerio. En cualquier caso parece indudable que forma parte de la estructura de la ciudad "áulica" que diseñó Tioda para ser la capital del nuevo reino que estaba creando dicho monarca, tanto por su tipo de construcción, a base de sillarejo con contrafuertes, que fueron alargados en la modificación del S. XII, como por el tipo de decoración, además del hecho de que estuviera adosado a la torre de San Miguel, que era parte de ese palacio. Sin embargo hay dos puntos muy importantes a destacar en la estructura de la Cámara Santa: en él aparecen arcos ciegos decorando los muros exteriores, lo que no era habitual en el prerrománico español hasta su aparición de forma generalizada en las primeras iglesias del arte altoaragonés. El otro es que en la planta baja aparece la primera nave cubierta por bóveda del arte asturiano, tipo de cobertura que hasta entonces sólo había aparecido en las capillas de la cabecera de las iglesias. Evidentemente no era un sistema nuevo ya que encontramos bóvedas de este tipo muy anteriores en España, pero hasta ese momento los arquitectos asturianos no se habían atrevido a utilizarlo más que en pequeños espacios. Este hecho convierta a la Cámara Santa en un claro antecedente de las construcciones del periodo ramirense, en el que Santa María del Naranco repite parte del modelo, aunque cubierta mediante bóveda también en la planta superior y con mucho mayor calidad en su estilo constructivo y su decoración escultórica.
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