Santa María de Melque, descubierta para la historiografía moderna por el Conde de Cedillo, fue un conjunto monástico construido sobre una extensa villa romana. Su templo se ubicaba en el centro de un gran patio formado por otro edificio dotado de diferentes naves y dos alturas, que albergaba las distintas dependencias del monasterio.
Sin tradición constructiva, el primer estilo visigodo siguió las trazas de los monumentos romanos utilizando las basílicas cristianas de cruz latina, al principio con doble ábside (S. V-VI) y la cruz griega simple, inscrita en un rectángulo, que podría tener su precedente en la iglesia de los Santos de Constantinopla (desaparecida). Tradicionalmente se la ha inscrito dentro de las iglesias del S. VII pero María Cruz Villalón duda de esa datación, al relacionarla con las construcciones armenias del S. IX. El esquema constructivo de las basílicas de cruz latina se vincula con la arquitectura clásica de las grandes basílicas civiles públicas de las ciudades romanas con cubiertas de madera a dos aguas, en las que la nave central se sobreeleva respecto a las laterales, para permitir que en los muros situados sobre los pilares o columnas de separación de las naves, se abran grandes ventanas, que garantizan la iluminación del edificio, siempre orientados al este y con escasa decoración.
Santa María de Melque, totalmente abovedada sobre arcos de herradura, tiene planta de cruz griega de brazos desiguales, más largo el de dirección este-oeste, a partir del cual se fueron añadiendo estancias en las zonas laterales del ábside y junto al lado norte de la nave, dándole su actual estructura. Está inscrita en un cuadrado de unos 20 m. de lado, con linterna sobre el crucero, que se prolonga con un ábside en la cara este de menor altura, externamente cuadrado e internamente de planta de arco de herradura. Dicho arco, sobrepasa en 1/3 del radio. Este tipo de arco es sin duda una aportación visigoda, ya que no aparece en toda la historia del arte hispanorromano, hasta este momento. Era mucho más abierto que el posteriormente usado por los musulmanes y sin clave.
En las construcciones visigodas se utilizaron piedras muy gruesas, irregulares y resistentes, labradas en sillares dispuestos a soga y tizón y colocadas a hueso, es decir, sin argamasa; de muros muy gruesos, como si temieran derrumbes, como así ocurrió en múltiples casos. Le restaban sobriedad a los muros introduciendo a distintas alturas cenefas o frisos, normalmente con roleos, cruces de diferentes tipos, motivos vegetales, aunque en algunos casos introducen otros elementos, como los frisos decorados con roleos, motivos vegetales, animales o ángeles, el Sol y la Luna, de Quintanilla de las Viñas o unas simples filigranas de estuco en los arcos torales del crucero, como en el caso de Santa María de Melque, que la ponen en relación con influencias cristianas orientales de Siria o Jordania. Su arco de herradura era mucho más abierto que el posteriormente usado por los musulmanes sin clave, en Santa María de Melque existen varios que así lo atestiguan. Las cubiertas solían ser de vigas de madera a dos aguas o bien bóvedas de cañón o herradura. Reutilizaron columnas romanas, unas veces con capiteles corintios o degenerados y en otras ocasiones el troncocónico invertido bizantino, como en San Pedro de la Nave, ricamente decorados y que en algunos casos son un antecedente al Románico, sobre ellos colocaban un cimacio que, más que elemento de la columna, era prácticamente una ménsula o saledizo del muro.
En las iglesias visigodas es frecuente ver pequeños pórticos a los pies o en los laterales, inspirados en las iglesias tardo-paleocristianas, no suelen ser de carácter sepulcral, sino destinados a lugares de reunión. Santa María de Melque cuenta también con dos habitaciones a los lados, a la altura del recinto anterior al ábside, comunicadas con éste y con los brazos del crucero. La de su parte derecha está desaparecida y la de su izquierda, no se conoce su razón de ser. El habitáculo que se encuentra a la izquierda de la entrada, sin tejado actualmente, pudo haber sido utilizado como lugar de reunión de los monjes pero en épocas posteriores, se utilizó como osario, tal como apuntan las excavaciones realizadas en la zona y también parece que tuvo un pórtico ante la entrada actual, ahora desaparecido.
Ante el pórtico de acceso y ocupando una parte significativa del espacio abierto, se encuentran las tumbas del primer cementerio monacal, tradición combatida por los obispos a partir del siglo VI; las tumbas están excavadas en la roca y se cubrieron con grandes losas de piedra que han desparecido, seguramente reutilizadas para cualquier otra construcción.
Dentro de nuestro «museo» además existe un gran arcosolio, situado en el fondo del brazo sur del crucero, que nos sugiere que, Santa María de Melque pudo ser en algún momento un mausoleo destinado al enterramiento de un alto personaje del Reino Visigodo de Toledo, probablemente su comitente. Existe la hipótesis de que la iglesia es en sí misma es un monumento funerario levantado a la mayor gloria de un miembro de la más alta nobleza visigoda, alguien perteneciente al Officium Palatinum, pero la falta de información que lo avale y las reformas posteriores no nos permiten atestiguar este punto.