La primera noticia documental que menciona esta iglesia data de 1177. Esta primitiva iglesia del siglo XI o anterior fue completada con la construcción en el primer cuarto del siglo XIII, de una torre monumental románica colocada al oeste, y un pórtico adosado a su muro norte, también románico que servía de mirador sobre el río Esgueva, que por entonces discurría a sus pies. El resto de la iglesia fue sustituido en el siglo XIV por una construcción gótica, cuya estructura restaurada, es la que ha llegado a nuestros días.
La iglesia de la Antigua posiblemente sea una de las parroquias más antiguas de Valladolid, siendo anterior a la Colegiata de Santa María la Mayor, fue mandada edificar por el conde Pedro Ansúrez, aunque de esa época tan solo se conserva la torre y el pórtico adosado a su muro norte.
Debido a su mala cimentación al construirse al lado de uno de los ramales del Esgueva el templo sufrió múltiples reformas, e incluso se le adosaron algunas construcciones como la casa rectoral, la casa de las mujeres emparedadas, y las capillas de Nuestra Señora de la Soledad y la de las Ánimas, adosadas a los ábsides y construidas de ladrillo. En 1544 se procedió a la reparación de la torre ante su inminente ruina, restaurándose prácticamente toda ella, fueron reformados los huecos correspondientes al último cuerpo de la torre con el fin de colocar unas campanas de mayor tamaño que las que tenía, también fueron colocados antepechos en todos los huecos y se reforzó su base con un grueso muro de piedra de más de dos metros de espesor para aumentar su estabilidad. Hacia 1575 fueron necesarias obras de consolidación de la iglesia dado su estado ruinoso, siendo el encargado de realizarlas el arquitecto Rodrigo Gil de Hontañón, este construyó nuevos arbotantes y contrafuertes, reforzó algunos pilares del interior, reformó y abrió nuevas ventanas, construyó un pórtico y una espadaña.
En el siglo XVI se colocó en el ábside de la nave central un retablo realizado por Juan de Juni entre los años 1550 y 1562, dedicado a la Virgen y que hoy se encuentra en la capilla mayor de la Catedral de la ciudad, al ser trasladado durante la restauración de la iglesia.
A finales del siglo XIX la iglesia presentaba un aspecto lamentable y ruinoso, fue declarada en 1897 Monumento Nacional en su conjunto y tras un informe del arquitecto Enrique María Repullés se procedió a su restauración. El edificio fue desmontado y reconstruido en su totalidad, excepto la cabecera, la torre y los tres ábsides, se derribaron las construcciones adosadas y la torre volvió a su estado original, esta fue recalzada con hormigón.
En la restauración participaron Antonio Bermejo (en 1900), Vicente Lampérez (desde 1901 hasta 1904), Ricardo Gureta, y Fernández Casanovas (a partir de 1911). El resultado fue un nuevo templo de estilo neogótico, totalmente basado en la morfología de la antigua iglesia ojival y armonizando perfectamente con los ábsides del siglo XIV.
En 1947 se construyó una sacristía neogótica adosada al crucero, y en 1948 se procedió a restaurar el pórtico adosado, alcanzando una gran similitud con el de las Huelgas Reales de Burgos merced a sus restauradores. La iglesia se abrió nuevamente al culto en el año 1952.
Su torre es de base cuadrangular y se divide en cuatro cuerpos separados por impostas ajedrezadas, el más bajo está formado por un elevado zócalo prismático practicante ciego que se divide interiormente en dos niveles separados por una bóveda de cañón. Los otros tres cuerpos en correspondencia con los ventanales se subdividen en dos tramos mediante líneas de molduras, las aristas se redondean mediante unas pequeñas columnas que se interrumpen al cruzar con las molduras. El número y tamaño de las ventanas es distinto en cada cuerpo, y son bastante altas, lo que dan a la torre una elegante sensación de esbeltez a pesar de lo macizo y sólido de su construcción. Esta sensación de esbeltez se culmina con el chapitel de forma piramidal recubierto de teja plana, siendo uno de los más bellos ejemplos de torre castellana y uno de los símbolos de Valladolid.
El pórtico adosado al muro norte del edificio está formado por catorce arcos de medio punto, distribuidos en tres tramos separados mediante contrafuertes. Los arcos son moldurados con un guardapolvo de puntas de diamante y se apoyan sobre columnas de triple fuste, la cornisa que remata el pórtico se apoya sobre sencillos canecillos lisos.
