La iglesia del monasterio es un edificio de nave única organizada en siete tramos cubiertos con bóvedas de crucería, cabecera poligonal y capillas laterales. En la fachada occidental se encuentra adosado el claustro de tres niveles, y en el ángulo noroccidental, la sala del Ángel, por lo que las ventanas de los dos últimos tramos —a los pies del edificio— son visiblemente más reducidas que las del resto de esa fachada.

El cuerpo inferior del campanario, que se construyó paralelamente al muro oriental de la iglesia, conforma el ábside del coro bajo, mientras que el resto de los niveles forman parte de la torre del campanario propiamente dicho. En el interior de esta estructura de planta poligonal, aún son visibles los mechinales, agujeros en los que se introducían los tablones de los andamios que se emplearon para su edificación.

En origen, la cabecera poligonal de la iglesia lucía casi exenta, de modo que los contrafuertes eran totalmente visibles hacia el lado oriental. Ya en tiempos medievales se adosaron la sacristía y el torno en el lado sudoccidental, y posteriormente, a lo largo de los siglos, se fueron añadiendo los volúmenes que hoy en día rodean el piso inferior.

La fachada norte de la iglesia se corresponde con los pies del templo. Al estar el monasterio rodeado por una muralla, de esta fachada solo es visible el cuerpo superior con el rosetón. En el cuerpo inferior, una puerta de medio punto de piedra, adovelada y de origen medieval, constituía el acceso privado al monasterio.

El acceso principal y público a la iglesia del monasterio, ya desde la Edad Media, se realizaba desde la plaza, a través de la portalada monumental gótica. Pese a su sencillez, destaca la gran calidad del trabajo de la piedra, con sillares muy escuadrados y pulidos y una decoración con motivos vegetales. En el tímpano y en el gablete aparecen esculpidos los escudos de la Casa Real (barras) y la Casa Moncada (barras y bolas).

La cubierta de la iglesia del monasterio de Santa María de Pedralbes es uno de los pocos testimonios catalanes que aún conserva el trazado y la fisonomía medievales. Las cubiertas a dos aguas se corresponden con la pendiente de las bóvedas de la nave central, y los elementos escalonados, con el remate de los arcos diafragma, que descargan en los contrafuertes de la fachada.

Los contrafuertes de la fachada oriental de la iglesia fueron construidos al mismo tiempo que los muros de la nave central. Cuentan con unos pasos monolíticos, ya proyectados en origen y de reducido tamaño, que permiten la circulación exterior por encima de las capillas laterales orientales, facilitando el acceso para la realización de las tareas de mantenimiento del edificio.