Las crónicas altomedievales más tempranas, como la Crónica Albeldense, la ad Sebastianum y la Rotense, no mencionan la construcción de la Cámara Santa, lo que ha generado un prolongado debate historiográfico sobre su origen. La primera referencia explícita aparece en la Historia Silense (h. 1115), donde se atribuye a un monarca —tradicionalmente identificado con Alfonso II el Casto— la edificación de una basílica abovedada dedicada a Santa Leocadia, sobre la que se dispuso una cámara superior para la adoración del Arca Santa. Este testimonio confirma la función martirial y relicaria del edificio ya en época medieval.
En el siglo XII, el obispo don Pelayo aporta información clave al describir el conjunto como una edificación de dos pisos superpuestos: una cripta inferior dedicada a Santa Leocadia y una capilla superior bajo la advocación de San Miguel. Mientras la tradición documenta de forma temprana la devoción a Santa Leocadia —atestiguada ya en un documento de 908—, la dedicación a San Miguel se consolida posteriormente, vinculada a la protección de las reliquias y a la simbología regia y celestial propia de la monarquía asturiana.
La Cámara Santa se integraba en el complejo palatino de los reyes asturianos, anexa a la Torre de San Miguel, probablemente anterior incluso a la propia Cámara. Su función era doble: oratorio palatino privado y espacio de custodia de reliquias y tesoros reales, siguiendo una tradición común en la Alta Edad Media europea. Este carácter palatino explica, según algunos autores, su ausencia en las crónicas del siglo IX, al formar parte del ámbito cortesano.
Desde el punto de vista arquitectónico, antes de 1934 la Cámara Santa estaba compuesta por dos naves rectangulares superpuestas, de unos 16 m de largo por 6 m de ancho. La cripta, dedicada a Santa Leocadia, se cubría con bóveda de cañón de ladrillo, presentaba saeteras abocinadas, un tabernáculo mozárabe para las reliquias y restos de una barrera litúrgica que separaba el presbiterio del espacio de los fieles. Bajo el reinado de Alfonso III, esta cripta acogió los sepulcros de los mártires cordobeses Eulogio y Leocricia, reforzando su carácter funerario y martirial.
El piso superior, reformado en el siglo XII, estaba dedicado a San Miguel y cubierto por una gran bóveda de cañón románica, sustituyendo a la primitiva techumbre de madera. En este nivel se hallaba uno de los elementos artísticos más sobresalientes del monumento: el apostolado románico, formado por doce apóstoles esculpidos sobre fustes de mármol, emparejados a modo de columnas-estatua. Este conjunto, obra de un taller vinculado a grandes maestros del románico hispano, convertía el espacio en una representación simbólica del Collegium Apostolorum, antesala del santuario donde se veneraban las reliquias.
Antes de su destrucción en 1934, la Cámara Santa conservaba, pese a reformas y añadidos, una extraordinaria superposición de fases históricas, desde la arquitectura prerrománica y altomedieval hasta las intervenciones románicas y bajomedievales. Era, en definitiva, uno de los testimonios más singulares de la arquitectura palatina, martirial y relicaria de la España medieval, tanto por su valor histórico como por la riqueza simbólica y artística que acumuló a lo largo de los siglos.