Œuvre d'Alphonse II le Chaste, la Cámara Santa est le lieu qui recèle les trésors les plus précieux des Asturies: la Croix des Anges (symbole de la ville d'Oviedo) et la Croix de la Victoire symbole de la Principauté repris sur le drapeau de la région. C'est également là que se trouve la pièce d'étoffe que l'on pense être le Saint-Suaire du Christ.
La Cámara Santa est rectangulaire et compte deux étages; le niveau inférieur, appelé Chapelle ou Crypte de Santa Leocadia est recouvert d'une voûte en berceau sur socle et est percée de lunettes grossières; l'étage supérieur, la Chapelle de San Miguel, est divisé en trois parties et garde son chevet primitif, le reste étant de la seconde moitié du XIIe siècle. Il est recouvert d'une voûte en berceau renforcée par trois arcs doubleaux posés sur leurs respectives colonnes en pierre calcaire, contre lesquelles s'appuient, deux par deux, les statues des douze apôtres.
À l'intérieur aussi, trois têtes sculptées dans la pierre sont incrustées dans le mur qui surmonte la porte. Elles correspondent à une crucifixion dont les corps, à l'origine, étaient peints sur le mur. Aujourd'hui, cette partie picturale a totalement disparu.
