El retablo mayor es neoclásico, y está presidido por un lienzo de la Asunción de María de Mariano Salvador Maella. Las capillas laterales atesoran valiosas obras de arte. Entre ellas destaca, en la capilla de Santa Leocadia, el lienzo de laAparición de Santa Leocadia a San Ildefonso y el rey Recaredo, fechado en 1592, y que es una de las escasas obras conservadas del pintor toledano Blas de Prado. La capilla de los Santos Mártires alberga dos monumentos funerarios góticos del siglo XV. La de Santa Ana o de los Reyes, la de Santa María del Pópulo y la del Cristo de los Espejos son otras capillas a destacar. La iglesia alberga además importantes muestras de cerámica de Talavera. Algunos de los lienzos datan del siglo XVI, como el del retablo de los Santos Mártires. El retablo del Cristo del Mar es obra del ceramista Ruiz de Luna.
El claustro se construyó en el siglo XV en estilo gótico. En él se encuentra enterrado Fernando de Rojas, autor de La Celestina. La sacristía se construyó en el XVI, y está presidida por una imagen de la Virgen del siglo XV, probablemente la que presidía el antiguo retablo mayor. Los cuerpos superiores de la torre se construyeron a principios del siglo XVIII en estilo barroco.
En la Colegiata de Talavera de la Reina se desarrolla el Poema de los Canónigos de la Colegial de Talavera, incluido en el Libro de El Buen Amor del Arcipreste de Hita.
