Die Heilige Kammer wurde unter Alfons II. dem Keuschen errichtet und ist der Ort, an dem die wertvollsten Schätze Asturiens verwahrt werden: das Engelskreuz (Wahrzeichen der Stadt Oviedo) und das Siegeskreuz, Symbol Asturiens, das auch die Regionalfahne ziert. Hier wird auch das vermeintliche Schweißtuch von Jesus Christus aufbewahrt.
Die Heilige Kammer hat einen rechteckigen Grundriss und zwei Stockwerke. Das Untergeschoss, Kapelle oder Krypta der hl. Leocadia genannt, besitzt ein Tonnengewölbe, das mit groben Rundbögen auf einem Sockel aufliegt. Das Obergeschoss, die Michaelskapelle, ist in drei Joche unterteilt, das vordere ist im ursprünglichen Zustand erhalten, die anderen stammen aus der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts. Die Decke bildet ein mit drei Gurtbögen verstärktes Tonnengewölbe, die auf sechs Kalksteinsäulen aufliegen, an denen jeweils zwei der Skulpturen der zwölf Apostel angebracht sind.
Ebenfalls im Inneren sind über der Eingangstür drei Köpfe aus Stein in die Mauer gemeißelt, die zu einer Kreuzigung gehören, deren Körper ursprünglich gemalt waren. Heute ist das Gemälde vollständig verblichen.
