La iglesia de Castañeda ha sufrido diversas modificaciones a lo largo de los siglos. Su planta original era de una sola nave con un crucero destacado, al que se abren tres ábsides. En el centro del crucero está una cúpula montada sobre trompas. El ábside central y principal, igual que ocurre en Santillana, es más ancho y alto que los laterales.
A mano derecha, detrás de la torre, se aprecia una modificación en el crucero, al añadir una capilla y una sacristía barroca. A la izquierda, en el lado norte, también presenta añadidos.
La parte original de la construcción hay que situarla en la primera mitad del siglo XII, entre 1100 y 1150.
De los tres ábsides, el del lado sur está hoy perdido, tal como se aprecia en la lámina inferior. El ábside central  tiene un tramo cubierto con bóveda de cañón antes de llegar al crucero. En cambio, los ábsides laterales no lo tienen; se abren directamente al crucero.

La torre de Castañeda es muy primitiva y simple. Toda ella es de sillería bien dispuesta. En la parte superior presenta una vieja ventana ajimezada. Su fecha de construcción es probablemente la misma que la del conjunto del edificio, la primera mitad del XII.

La puerta principal, situada como es normal en el románico al oeste, aunque ha sido reformada, mantiene la primitiva organización muy simple. Tiene arquivoltas lisas, sin ningún tipo de decoración escultórica en sus dovelas. Esto es propio del románico más antiguo.

Es interesante la arquería baja que cubre el ábside en su interior con cuatro arcos de medio punto en el semicírculo del ábside, y otros dos a cada lado en el presbiterio. Ábsides de este tipo se encuentran en el románico cántabro (Cervatos, Elines, Silió).  En el románico español también se encuentra en el castillo de Loarre (Navarra).

La cubrición de la nave central ha sido modificada. Pero se ha levantado de tal manera que no desentona del tradicional modo románico de cubrir esta nave: con bóveda de calón y arcos fajones. Los capiteles parecen del siglo XVII y llevan a pensar que la bóveda se cayó o amenazaba ruina, lo que obligó a reformarla.

Los capiteles de Castañeda parecen obra de un solo autor. Predomina sobre todo el tema animalístico. Utiliza el escultor mucho las bolas, de tal forma, que hay capiteles sólo con esta forma.