La Colegiata se construyó en la primera mitad del siglo XVI. El primer arquitecto en llevar a cabo esta empresa fue Teodoro Ardemans. En un principio se edificó como Capilla Real, pero se erigió poco después como Real Colegiata de la Santísima Trinidad.
Fue ampliada por Andrea Procaccini, quién erigió las torres y la cabecera actual.
También participaron Mariano Salvador Maella, pintor de los frescos de las bóvedas, Francisco Bayeu y Francisco Sasso, que decoraron la capilla de las reliquias.
La Colegiata tiene el aspecto de una pequeñita catedral, con una bella cúpula y airosas torres, que ocupa una posición de avanzadilla del conjunto, lo que demuestra que los monarcas otorgaron una presencia especial a esta parte del edificio.
Como bienes muebles destacan el retablo, realizado por Ardemans,con un interesante cuadro de Solimena, la sillería del coro y la tribuna real. La decoración que se observa en la actualidad se llevó a cabo durante el reinado de Carlos III.
La Capilla de las Reliquias contiene el monumento funerario donde yacen los cuerpos de Felipe V e Isabel de Farnesio.
En realidad, la colegiata tuvo en origen el objetivo de ser un panteón real, como se puede comprobar en la sala-panteón situada a la izquierda del altar mayor, con el monumento funerario de los reyes fundadores.