La iglesia de Villamayor es un edificio de tres naves, torre y sacristía, producto de cuatro campañas constructivas diferentes que se corresponden con otros tantos momentos estilísticos. La primitiva fábrica románica debió de levantarse en torno a finales del siglo XII y comprendía seguramente una sola nave rematada en una capilla semicircular. A esa construcción originaria pertenece el ábside central, el cual presenta, a diferencia del resto, un zócalo remarcado por un bocel y dos esbeltos contrafuertes que dividen su paramento externo en tres paños, en dos de los cuales se abren ventanas de medio punto abocinadas. El muro se remata con una cornisa biselada sustentada por canecillos geométricos y figurados (cabeza antropomorfa y liebre). En el interior, se cubre con bóveda de horno en el tramo curvo -oculta tras el retablo mayor- y de cañón en el presbiterio. Hacia mediados del siglo XIII se amplió el edificio con la construcción de la nave de la epístola, incluyendo también la portada meridional. Para ello se abrió un arco apuntado en el antiguo muro sur del presbiterio y se añadió una capilla cuadrangular cuyo testero incide perpendicularmente sobre el arranque del primitivo ábside, al ras de una de las ventanas románicas. En altura, su cornisa quedó igualada con la primitiva, pero a diferencia de aquella ésta presenta perfil de nacela y canecillos de proa de nave. En el eje del muro se dispone un esbelto arco ciego, doblado y apuntado, con un pronunciado talud que enlaza con la gruesa imposta que recorre toda la fachada. En el lado sur, en un resalte del muro, se abrió una portada formada por seis arquivoltas apuntadas lisas y una chambrana de nacela. En esta parte alternan los canecillos de formas propiamente góticas con otros de inspiración románica -tal vez reutilizados- entre los que se distinguen varias cabezas zoomorfas, algunas engullendo a otras figuras, y un personaje sedente que sujeta en sus manos un barril o instrumentos musical, muy parecido a otro que hay en Tablada de Villadiego. Su espacio interior se cubrió en este caso con bóvedas de crucería simples. Las dos últimas fases constructivas se llevaron a cabo en los siglos XVII y XVIII, momentos en que se realizaron la nave del evangelio, la torre y la sacristía, así como los pilares y las bóvedas de las naves. Del mobiliario románico se ha conservado una espléndida pila bautismal, muy necesitada de una urgente restauración. Consta de una gran copa de 127 cm. de diámetro y 50 cm. de altura, con el interior avenerado y la parte externa -muy deteriorada- ornada con gallones sobre los que corre un trenzado anudado y un tallo ondulante con palmetas, motivos ambos que la emparentan con los ejemplares de Villarmentero, Grijalba, Villegas y Rebolledo de Traspeña. Esta copa apoya sobre una basa de 38 cm. de altura decorada a su alrededor con una escena de lucha entre una sepiente y un león, como en la pilas de Los Valcárceres, Arenillas de Muñó, Bañuelos de Rudrón, La Piedra, Villegas, Grijalba y Rebolledo de Traspeña.