Situada en la ruta jacobea que venía de Cataluña a través de Fraga, se construyó entres los siglos XII y XIII a las afueras de la población en una altiplanicie dominando el río Cinca.
Exteriormente es un bello edificio románico con planta de cruz latina perfecta de una sola nave, crucero y tres ábsides; semicircular el central con tres ventanas de una arquivolta cada una con magníficos capiteles decorados con figuras humanas y animales; rectos por el exterior y redondeados por el interior los dos laterales.
Es muy interesante el cimborrio, con torreón octogonal exterior clásico de las construcciones templarias, situado sobre el crucero con cúpula de forma semiesférica apoyada sobre cuatro trompas.
Conserva todavía, formando parte de las mismas paredes, los asientos de piedra donde se reunían los monjes en el coro.
La puerta principal, situada al pie de la cruz con orientación oeste, está constituida por seis arquivoltas sobre columnas con capiteles cuya decoración está formada por motivos vegetales y escenas de la Biblia.
En la parte superior de la fachada principal se sitúa la ventana que consta de tres arquivoltas con sus correspondientes columnas y capiteles con la característica de que, por la parte que da al interior del templo, se repiten también las arquivoltas, capiteles y columnas.
En uno de los ábsides laterales existe una pequeña puerta que comunicaba la ermita con el claustro exterior del cual solamente quedan las ménsulas adosadas al muro sur.
La imagen de la Virgen, talla de piedra policromada, es réplica de la original del siglo XIV destrozada y tirada por un barranco en el año 1936. Se pudo reproducir fielmente, según cuenta en sus escritos Francisco Castillón Cortada una de las personas que más han estudiado la historia de Chalamera, "gracias al celo y devoción de don Antonio Villas Español, vecino de Chalamera" que recogió todos los fragmentos que pudo encontrar y con paciencia fue encolando para hacer una reconstrucción de la primitiva imagen tal como se puede contemplar en una hornacina interior del templo. También recorrió todos los pueblos de los alrededores solicitando aportaciones económicas para sufragar el coste de la actual escultura realizada en un taller de Zaragoza.
El suelo de la ermita es una capa de piedra ondulada que a través de los años y con miles de pisadas había adquirido un aspecto brillante de manera que, al atardecer y abrir la puerta principal, parecía un gran lago. Pero, desgraciadamente, se estropeó al comienzo del siglo XX unificando la superficie con cemento para que el público se pudiera arrodillar bien, con lo cual, se perdió el maravilloso aspecto que tenía el suelo al recibir los rayos del sol al atardecer.
La ventana de la fachada principal está situada en la pared a una altura exacta para que, al ocultarse el sol en los días correspondientes a los solsticios de primavera y otoño, sus rayos den directamente en la imagen de la Virgen situada en un pedestal en el ábside principal.