A las afueras de Oviedo y en un periodo de tanta paz como la que rodea este templo, hacia 842-850 (en la etapa ramirense porque era monarca asturiano Ramiro I), se construyó Santa María del Naranco. Su arquitectura es interesantísima por sus soluciones próximas al románico, que no se mantuvieron con Alfonso III, monarca continuador de la tradición anterior de Alfonso II.
Sabemos que en su origen fue un edificio civil, un palacio sin madera, abovedado en los pisos inferior y superior, que pronto se convertiría en iglesia de culto a la Virgen. En época de Ordoño I -que reinó después de Ramiro y antes de Alfonso III y trasladó en 856 la capital del reino asturiano a León-, este templo fue donado a Oviedo ya como Santa María del Naranco, según las crónicas. Es difícil conocer sus funciones primeras; según algunos investigadores, fue aula regia donde se celebraba la entrega del lábaro al rey antes de entrar en guerra (el lábaro era un estandarte de origen romano). El rey se purificaba antes de esa ceremonia -lo que explicaría la existencia de la sala de baño del piso inferior- y después ese estandarte se enseñaría por el ventanal al ejército.
La planta baja de Santa María consta de una sala rectangular con bóveda de cañón sobre arcos fajones, una novedad importada de Oriente que permite construir una bóveda larga con una cimbra pequeña. Cuenta también con un banco corrido sin arcos fajones.
La sala superior se cubre con bóveda de medio cañón con arcos fajones que arrancan de ménsulas sobre la imposta. Se añadieron arquerías para sostener la bóveda, aligerar el peso del muro y permitir abrir ventanas; el muro pierde función de sostén respecto a la arquitectura visigoda. La tendencia de este templo a la altura tiene origen oriental y también repercutirá en el románico; se consigue por la superposición de los dos cuerpos y el uso de arcos peraltados que subrayan esa elevación. Parece que se tuvieron en cuenta, además, efectos ópticos para que el edificio se apreciara en su exterior con mayor amplitud que la que se observa en el interior: se consiguió haciendo diferentes los tramos de la bóveda y las arquerías, que decrecen según nos acercamos a los extremos.
Tiene precedentes sirios el uso de claves en T para trabar mejor los arcos; nos encontramos ante una arquitectura muy avanzada tanto en lo meramente constructivo como en lo estético, y su decoración, aunque sea ruda, también busca subrayar la verticalidad general. Los pilares parecen haces de columnas sogueadas y sobre ellos se disponen capiteles troncopiramidales de evocación bizantina, como en el templo zamorano de San Pedro de la Nave. El sogueado es una constante en la decoración asturiana.
En la cara principal de uno de los capiteles (izquierda) aparece el árbol de la vida flanqueado por leones, que en la parte superior le dan guardia y en la inferior comen de él. A los lados, vemos figuras humanas en triángulos, quizá identificadas simbólicamente con los leones, portando báculos o espadas, como obispos o guerreros. Es posible que se aludiese al asunto de la aparición de la cruz con sentido de lábaro antes de la victoria de Don Pelayo en Covadonga, adoptándolo a las funciones de este edificio, o que podamos relacionarlos con las basas del lado oriental de San Pedro de la Nave, donde se presentaba el tema de Daniel en el foso de los leones. Ambos templos comparten además el sogueado esquematizado de la láurea, con diferencias de volumen.
En las enjutas de los arcos vemos discos en los que se representaron diferentes animales rodeados por cenefas vegetales de racimos con roleos o hélices que recuerdan a los frisos de San Pedro o los dados de San Juan de Baños (Palencia), también al testero de Quintanilla de las Viñas. El sol y el árbol de la vida aparecen como símbolos de Cristo y a veces se muestran dos animales dentro del clípeo en vez de uno; su origen podría encontrarse en telas orientales.
Sobre ellos a veces encontramos una cruz de triunfo, con las letras A y O (Alfa y Omega) colgando de sus brazos. Otras veces, en los clípeos se representan figuras quizá vinculadas a la ceremonia de entrada en la guerra.
Bajo dos arquerías vemos dos figuras con túnica larga -podrían ser mujeres o clérigos- con una caja en las manos, quizá un arca relacionada con el supuesto hallazgo en Asturias de uno de los mayores fragmentos de la cruz de Cristo. Debajo aparecen jinetes con la espalda levantada. Este tema también se da en Oriente, pero allí las figuras portan el sol y la luna.
Intencionadamente, estas composiciones se relacionan con los capiteles: el árbol de la vida nace por superposición de dos arcos. El asunto del jinete se repite en San Pedro de la Nave y en el Beato de Gerona, como imagen de caballero cristiano. Quizá se trate de una triple representación de Cristo: como león de la tribu de Judá, como árbol de la vida y como jinete que es caballero fiel y vencedor del mal del Apocalipsis.
La iconografía del interior se repite en los balcones, con capiteles vegetales que parecen entrar en comunión con el paisaje y que derivan del corintio, con sus hojas carnosas y esquematizadas, o con el árbol de la vida rodeado por leones y figuras antropomorfas.
El trazado de la escultura es rígido y tosco; su rigidez podría justificarse por la solemnidad del edificio. Como hemos visto, la iconografía de San Pedro de la Nave, Quintanilla y el Naranco tiene mucho en común, y posiblemente una cronología cercana.
Al exterior, los contrafuertes unifican los dos pisos y se decoran con incisiones, como los arcos, la base del balcón y la ventana superior. Los dos lados menores del edificio no son exactamente iguales, porque en uno hay una puerta y en el otro tres ventanas y porque en los clípeos, en un lado, hay un animal de perfil y en el otro dos.
El balcón con tres ventanas se convirtió en una capilla cuyo altar fue trasladado del templo que hoy llamamos San Miguel de Lillo y primero se llamó de Santa María. Esta nueva capilla quedó rodeada de arquerías, como ocurre en San Julián de los Prados y en iglesias posteriores.