A pesar de la pérdida de una importantísima parte del patrimonio artístico que ornamentaba la catedral, la iglesia conserva una escultura de altísima calidad que permite situarla como la producción catalana más sobresaliente del siglo XIII. El análisis de sus características estilísticas ha permitido identificar diferentes talleres que, familiarizados con la escultura italiana unas veces o influenciados por modelos del sur de Francia en otras ocasiones, darán paso a un repertorio ornamental que definirá a la llamada Escuela de Lleida de escultura románica.
Antiguo y Nuevo Testamento, ciclos narrativos de algunos santos, entre los que destaca el del apóstol Santiago, escenas de lucha entre el bien y el mal, entre el hombre y el pecado, son temas habituales en la iglesia. Sin embargo, dentro del repertorio hay un tema, el de la Anunciación, que se repite reiteradamente y que hay que vincular con la titularidad de la iglesia, pues ésta quedó consagrada a Santa María.
El claustro, en cambio, es escenario de una eclosión de motivos vegetales, florales y animales, donde hojas de parra, racimos y seres fantásticos intentan hacerse hueco en medio de tanta naturaleza.
Aunque los capiteles concentran buena parte de la escultura, conviene no olvidar las portaladas, cornisas, ménsulas o las claves de bóveda, muchas de ellas con policromía.