Este templo tiene planta de cruz latina y testero hexagonal. Al exterior se levanta torre y cúpula. Ademas tiene sacristía, capilla bautisterio, a la izquierda la entrada al templo y otra capilla adosada a la derecha. Los indígenas que modelaron las yeserías no se olvidaron por completo de su propio universo, como puede apreciarse en la iconografía singular del recinto religioso, compuesta por ángeles morenos, niños con penachos de plumas, frutos tropicales (mango, chile, coco, plátano, etc...) y, sobre todo, vigorosas mazorcas de maíz. Al parecer, son dos las lecturas iconográficas que se puede hacer de la decoración de este maravilloso templo: una pagana, en la que predomina la cosmovisión indígena que algunos autores han creído ver representada a través de la libertad expresiva del barroco, como lo es el paraíso terrenal de Tláloc, Dios de la lluvia; la segunda, cristiana, en la que encontramos evocaciones plásticas de los pasajes marianos más importantes; la Anunciación, la Concepción, la Asunción y la Coronación de la Virgen, así como la revelación del Paraíso celestial con sus nueve órdenes angélicas de la teolofía de Santo Tomás de Aquino; por lo que en medio de un gran desbordamiento de flores y futos, encontramos también a los teólogos de la mariología (San Agustín, San Ambrosio, San Jerónimo y San Gregorio) y a los evangelistas propagando el dogma mariano, San Mateo, San Marcos, San Lucas y San Juan.

Se cree que antes de la llegada de los españoles ya existía un teocalli (templo) dedicado a la diosa Tonantzin; de esta divinidad esperaban la fertilidad de sus tierras y de sus mujeres, pero así como esperaban, también ofrendaban la primicia de sus cosechas. Después de la conquista, los españoles hicieron construir un templo dedicado a la Virgen María, precisamente en ese mismo lugar al que le llamaron Santa María Tonantzintla. El antecedente más cercano a la decoración de esta iglesia es la capilla del Rosario del templo de Santo Domingo de la ciudad de Puebla, la que seguramente inspiró a los vecinos criollos e indígenas para edificar otra "casa de oro" a su "madrecita".

Considerada como la máxima expresión del barroco indígena,el templo fue declarado monumento histórico desde 1933 y actualmente es el tercero más visitado de Puebla.