La fundación de este monasterio de monjas benedictinas se puede datar entre los siglos XII y XIII, periodo cronológico en el que dominaban los postulados estéticos del tardorromano. El cenobio femenino de Villamayor fue disuelto en el siglo XIV por el obispo don Gutierre de Toledo, y anexionado definitivamente a San Pelayo de Oviedo en 1530.
Más tarde se redujo a priorato y la iglesia, que quedó sin uso, y pasaría por varios destinos siendo cementerio hasta la desamortización. Posteriormente sobre el espacio de la nave se hizo una reconstrucción, destinada primeramente a cárcel y en 1910 a escuela.
Actualmente se conserva, de la fábrica románica, la cabecera y el arranque de la nave con la portada sur de la iglesia. En planta, el esquema consiste en una nave única rectangular con presbiterio compuesto de tramo recto y ábside semicircular. La nave del templo se cubre con bóveda de cañón, al igual que el tramo recto del ábside, empleando bóveda de cuarto de esfera en el ábside semicircular.
El ábside presenta al exterior dos columnas adosadas rematadas por capiteles vegetales, cornisa ajedrezada con canecillos y metopas, ventana central con columnas y capiteles vegetales y dos bandas de ajedrezado que recorren su perímetro. El interior está recorrido por una arquería ciega de ocho arcos, conserva el arco de triunfo doblado con guardapolvos ajedrezado y capiteles vegetales.
Sólo se conserva la portada sur, que se abre a la plaza y a la nueva iglesia parroquial. Está formada por tres arquivoltas sin decoración y protegida por una cornisa con canecillos y metopas. Los capiteles se decoran con motivos vegetales o historiados, entre los que destaca el de la jamba derecha con La Despedida del Caballero, escena historiada de dama y caballero con halcón.
