Este recoleto templo se sitúa extramuros del antiguo recinto amurallado de la villa, al otro lado de la carretera que hoy lo bordea. Se trata de una construcción de reducidas dimensiones rodeada de parte del caserío y algunas huertas de los paisanos, recortándose sobre el hermoso paisaje del valle. Pese a que se desconoce su fecha de consagración o cualquier noticia documental de época románica relativa a la misma, se juzga por su morfología que pudo comenzar la construcción de su cabecera a comienzos del siglo XIII, y que estaría ya terminada a finales de dicho siglo. Su advocación en aquel momento correspondía a San Miguel Arcángel y en ella estaba asentada una cofradía devota de dicho santo, de San Esteban y de Santa Catalina. Ello explicaría la presencia de un ciclo de pinturas murales con la iconografía de San Miguel Arcángel en el ábside, que habría sido realizado en época gótica. La ermita de Santa Lucía responde a las características del románico tardío que se desarrolló en las Cinco Villas a partir de la segunda mitad del siglo XII y se incluiría en el segundo apartado de la clasificación de Abbad Ríos, el de las iglesias de una nave abovedada, sin crucero y con un ábside de planta semicircular en el que se abren tres ventanas profundamente abocinadas. En Santa Lucía, que se ajusta a este esquema, se distinguen dos fases constructivas, ambas edificadas con piedra sillar. En primer lugar, la fase que participa de fórmulas habituales en el románico tardío, momento en el que ejecutó la cabecera, que dibuja en planta un semicírculo peraltado con una anchura de 4,75 m. A partir de la intersección con el cuerpo de nave (se reconoce con nitidez el cosido de sillares entre ambas fábricas), de tres tramos y ligeramente más estrecho, la obra se edificó bien entrado el siglo XIII. La ermita se vería terminada con la adición de una portada gótica en el centro del muro occidental. Sobre la entrada, una espadaña en hastial remata el conjunto. La nave tiene una longitud de 13,40 m que, junto a los 4,60 del presbiterio, suman los 18 m que mide la iglesia por el interior. La parte que más nos interesa es la cabecera, que dibuja al exterior un semicírculo organizado en tres paños por contrafuertes de escaso resalte que llegan hasta la cornisa. Apoya ésta en canecillos lisos en cuarto bocel. En cada lienzo se abre una ventana con estrecho vano en forma de aspillera y arco de enmarque a paño con el muro. Una ventana más del mismo tipo se ubica en el tramo oriental de la nave. Todas carecen de decoración. Por el interior los abocinamientos de las tres ventanas perforan el semicilindro y no tienen otro exorno que la imposta curvada para adaptarse al arco de remate, lo que supone otro rasgo característico del románico tardío. Mientras la cubierta de las naves se realiza mediante bóveda de cañón apuntado apoyada sobre arcos fajones, la de la cabecera combina una bóveda con plementos articulados por dos nervios que confluyen en el centro y un breve tramo de bóveda de medio cañón apuntado, un poco más baja. La solución de los nervios convergentes fue empleada por primera vez en el Valle del Ebro en la obra iniciada en 1158 de la catedral de Santo Domingo de la Calzada. En la comarca de las Cinco Villas aparece en edificaciones tardorrománicas como Santa María de Ejea de los Caballeros y en El Bayo, en ambos casos con cuatro nervios, y en Puilampa, con dos, pero en todos estos casos los nervios refuerzan una bóveda de horno, lo que no sucede en Santa Lucía de Sos del Rey Católico, templo en el que encontramos verdaderos plementos a la manera gótica, prueba de su cronología más tardía. La inclusión de puntas de diamante en los nervios parece responder a una influencia local, ya que las iglesias anteriormente citadas de Cinco Villas disponen nervios con triple baquetón sin ornamentación añadida. Sólo las columnas más cercanas a la cabecera corresponden a factura románica. Tienen basas decoradas con motivos geométricos (como Puilampa) y capiteles con repertorio vegetal muy esquematizado: hojas compuestas en las esquinas flanqueadas por tallos terminados en volutas y hoja trilobulada invertida en el centro; el meridional incluye una cruz incisa bajo el trébol. A la hora de valorar el interior, resulta problemático diferenciar las posibles modificaciones y añadidos atribuibles a la restauración del edificio que dirigió el arquitecto Francisco Pons-Sorolla y Arnau. En el exterior, se distingue mejor el cambio de materiales en las distintas fases construtivas, aunque los sillares no varían en tamaño, con unas hiladas que oscilan entre los 25 y los 38 cm. El muro de la nave se articula mediente tres parejas de contrafuertes que también llegan hasta la cornisa. Además de la portada gótica, hay en el muro meridional una segunda puerta no moldurada, que daba acceso al carnario o cementerio de la iglesia, donde el enterramiento estaba restringido a los miembros de la cofradía ya citada. La remodelación llevada a cabo en 1970 dejó al descubierto el interesante ciclo de pinturas de estilo gótico que, en forma de friso, recorre el interior del ábside. Como ha estudiado María del Carmen Lacarra, relatan el tema de la aparición milagrosa de San Miguel Arcángel en el italiano Monte Gargano, una leyenda meridional italiana que se internacionalizó a partir del siglo XI. En razón de los argumentos comentados, la ejecución de la cabecera de Santa Lucía hubo de realizarse ya iniciado el siglo XIII, desarrollando fórmulas experimentadas en el románico tardío de Cinco Villas.