Cerrando la plaza, por su parte oeste, tenemos la colegiata, ex catedral, de Santa María la Real. Está a la cabeza del conjunto monumental de Sasamón. Fue construida como donación del Rey Alfonso VII en 1128. Destaca la portada meridional del crucero, una de las más bellas del gótico burgalés, imitación del pórtico del Sarmental de la Catedral de Burgos.
Después de la Catedral burgalesa, la colegiata, es la segunda iglesia más grande de la provincia de Burgos, compartiendo el puesto con la de Melgar de Fernamental.
Dispone de un ábside de 22 metros de altura, y cuatro más laterales.
En el interior, además de varios sepulcros góticos, sobresalen una pila bautismal y un púlpito pétreo, atribuidos al círculo de los Colonia, una imagen de San Miguel Arcángel de Diego Siloé en la capilla mayor, y el retablo plateresco de Santiago, de la escuela Vigarny.
En su interior ofrece una visita guiada.