La iglesia presenta planta basilical de tres naves articuladas en tres tramos, el doble de ancha la central, transepto no destacado en planta y cabecera triple de ábsides semicirculares precedidos por un tramo recto. El conjunto está levantado en sillería de arenisca blanda y tono rojizo. La portada se sitúa en la parte oeste con unas escaleras dispuestas ante ella. Al exterior se delimita un atrio con una puerta renacentista y sobre ese hastial oeste se alza la espadaña de dos cuerpos decrecientes, albergando uno de ellos dos vanos para campanas rematados por arcos doblados de mediopunto.
Uno de los rasgos más característicos de la arquitectura de la iglesia de Santa María de Mave es el sistema de cubrición de sus naves. La central recibe tres tramos de bóveda de cañón apuntado separados por fajones igualmente apuntados y doblados. Lo más llamativo es la presencia de bóvedas de cañón de eje normal al del templo en los dos tramos occidentales de las colaterales, solo conservados en la nave de la epístola, ya que el resto han perdido sus bóvedas originales. El esquema fue importado de Francia, donde esta fórmula se constata en Saint-Philibert de Tournus, Saint-Remi y, sobre todo, en la nave de la iglesia borgoñona de Saint- Georges de Néris-les-Bains (Allier). Podemos, conjeturar que, cuando a inicios del siglo XIII, Sancha Jiménez decide reconstruir la iglesia, el proyecto será concebido por un equipo de origen francés, posiblemente borgoñón, que trasplanta al norte de Palencia modelos desarrollados por la arquitectura del Císter de Borgoña. En la nave del evangelio se recoge la fórmula de datación, no hispana, quizá traída por esos canteros franceses con la inscripción: “A N N I S M I L L E N I S C O N P L E T I S AT Q V E D V C E N T I
