L’església del monestir és un edifici de nau única organitzada en set trams coberts amb voltes de creueria, capçalera poligonal i capelles laterals. A la façana occidental s’hi adossa el claustre de tres nivells, i a l’angle nord-occidental, la sala de l’Àngel, motiu pel qual les finestres dels dos últims trams —als peus de l’edifici— són visiblement més reduïdes que les de la resta d’aquesta façana.

El cos inferior del campanar, que es va construir paral·lelament al mur oriental de l’església, conforma l’absis del cor baix, mentre que la resta de nivells formen part de la torre del campanar pròpiament dit. A l’interior d’aquesta estructura de planta poligonal, encara hi són visibles els traus de bastida, uns forats pels quals travessaven els taulons de les bastides que es van fer servir per a la seva edificació.

En origen, la capçalera poligonal de l’església lluïa gairebé exempta, de tal manera que els contraforts eren totalment visibles cap a la banda oriental. Ja en temps medievals es van adossar la sagristia i el torn a la banda sud-occidental, i posteriorment, al llarg dels segles, es van anar afegint els volums que avui dia envolten el pis inferior. 

La façana nord de l’església es correspon amb els peus del temple. Com que el monestir està envoltat per una muralla, d’aquesta façana només n’és visible el cos superior amb la rosassa. Al cos inferior hi ha una porta de mig punt de pedra, adovellada i d’origen medieval, que era l’accés privat al monestir.

L’accés principal i públic a l’església del monestir, ja des de l’edat mitjana, es fa des de la plaça, a través de la portalada monumental gòtica. Tot i la seva senzillesa, en destaca la gran qualitat del treball de la pedra, amb carreus ben escairats i polits i una decoració amb motius vegetals. Al timpà i al gablet hi apareixen esculpits els escuts de la Casa Reial (barres) i la Casa Montcada (barres i besants).

La coberta de l’església del monestir de Santa Maria de Pedralbes és un dels pocs testimonis catalans que encara conserva el traçat i la fesomia medievals. Les vessants a dues aigües es corresponen amb el pendent de les voltes de la nau central, i els elements en graó, amb el coronament dels arcs diafragma, els quals descarreguen als contraforts de la façana.

Els contraforts de la façana oriental de l’església van ser construïts al mateix temps que els murs de la nau central. Aquests disposen d’uns passos monolítics, ja projectats en origen i de reduïdes dimensions, que permeten la circulació exterior per sobre de les capelles laterals orientals i faciliten, a la vegada, l’accés per dur a terme tasques de manteniment de l’edifici.