La iglesia martirial de Marialba de la Ribera es uno de los monumentos paleocristianos más importantes. El primer edificio se componía de una gran nave longitudinal rematada por un ábside de forma ultrasemicircular en planta. En un momento determinado de su construcción se produce la transformación que lo convierte en un edificio de carácter centralizado. Este cambio se consigue gracias a la construcción de unas enormes estructuras previstas para sujetar los empujes de la cubierta que bien podría tratarse de una bóveda o una cúpula. Al mismo tiempo se construyó una antesala paralela a la entrada norte y rematada por absidiolos con forma también ultrasemicircular. Más tarde se construye un baptisterio por inmersión unido al edificio principal. Esta dependencia y las situadas al lado noroeste van convirtiendo el edificio primigenio en un elemento generador de un completo utilizado con determinados fines religiosos. A su vez el edificio, por sus características tipológicas y constructivas dentro de la Bajorromanidad Hispana, se puede situar dentro de un importante complejo arquitectónico. En este periodo histórico se desarrollan las grandes explotaciones agropecuarias con sistemas casi feudales de poder. Estas grandes explotaciones estaban formadas por un conjunto de edificaciones organizadas jerárquicamente. Es muy posible que en su origen el primer edificio estuviera relacionado con este tipo de estructuras.

Las primeras referencias historiográficas del monumento se señalan en el Catálogo Monumental de D. Manuel Gómez Moreno realizado durante los primeros años del siglo XX y están basadas en los apuntes que realizó Inocencio Arredondo en 1890. En el año 1964 en el trabajo Primicias del Arte Cristiano, Gómez Moreno nos muestra un croquis de la planta. La describe como una gran sala rectangular de 23,44 por 13,60m rematada con un ábside de considerables proporciones en forma de herradura de 9,55 m de diámetro, prolongado en algo más de 1/3 del radio, en el que se conservan restos de escaleras que indican que constaba de dos alturas, una inferior en la que se encontraron trece tumbas y otra superior, que se utilizaría para el culto. Aparece también en el dibujo una hornacina adosada a la fachada oriental y un elemento de exedra en el lado sudoeste. También se señala una puerta situada en el lado norte. La nave terminaba en una especie de nártex alargado, con una puerta hacia el exterior y otra hacia la nave, enfrentadas en el centro de los lados más largos y cerrado en forma de herradura poco pronunciada en los extremos, muy semejante al de la iglesia de la basílica de Carranque.

En la Historia de España de Ramón Menéndez Pidal se hace una clasificación tipológica separando las basílicas paleocristianas de las iglesias martiriales o martyrium. Se basan los autores en el florecimiento del culto a las reliquias de los mártires que da lugar a una serie de edificios dedicados a su custodia. Se citan cuatro edificaciones dentro de este segundo grupo. El texto señala a Marialba de la Ribera en León, como la mayor iglesia martirial conocida en la Península y distingue dos fases en su construcción: la de una nave con ábside de herradura y cubierta a dos aguas y la posterior transformación en un edificio de planta centralizada, cubierto de cúpula o de bóveda de arista en su parte central. Al mismo tiempo señala un nártex y una piscina bautismal.

Fue realizada en dos etapas, una hacia el año 350 y otra posiblemente a finales del siglo VI. En la primera estaría formada por la nave, con cubierta plana de madera a dos aguas, el nártex y un ábside a la misma altura que la nave. Por la cantidad de tumbas que han aparecido en la nave y en el exterior de la iglesia, parece evidente que en su origen se trataría de una basílica cementerial, cuyo uso funerario se mantuvo a lo largo de toda la Edad Media.

Su excavador, el Dr. Hauschild, estudia el sistema constructivo de la primera fase de la sala rectangular y el ábside, observa un aparejo de muros de mampostería e hiladas de ladrillo unidos por anchas juntas de argamasa. Hauschild lo sitúa en la época romana tardía del siglo IV y lo compara con la forma de construcción de la muralla de León.

La iglesia fue modificada en el siglo VI, modificación que se relaciona según algunas hipótesis con el martirio que sufrieron en esa época el prior San Ramiro y de doce monjes del monasterio benedictino de San Claudio de León en el siglo VI por orden del el rey suevo Recilano, a los que se supone que corresponden las trece tumbas que aparecieron en la planta inferior del ábside de Marialba durante las excavaciones de 1967 a 1969, aunque no se ha encontrado ninguna referencia a las personas que pudieran estar allí enterradas. La segunda fase constructiva se solapa con el edificio anterior realizándose las pilastras, las hornacinas y la decoración interior. En esta nueva fase, ya convertida en una iglesia martirial, se utilizó el ábside existente como zona martirial, añadiéndole una segunda planta para el culto y las correspondientes escaleras de acceso. También se construyó el baptisterio con su área de servicio y su acceso a la nave, y se debió rehacer todo el sistema de cobertura, para lo que se añadió un conjunto de contrafuertes, también de mampostería, en el interior del ábside y de la nave sobre los que parece que se apoyarían arcos transversales para soportar algún tipo de cobertura abovedada que, por la situación de los soportes formando un cuadrado sobre el centro de la nave, según J. Fontaine, podría haber consistido en una cúpula. Esta transformación, de basílica cementerial a edificio martirial, es un caso único entre los monumentos conocidos de esa época y la convierte, en la construcción paleocristiana más importante del norte de España y en la mayor construcción de este tipo que conocemos en la península Ibérica.

Durante la excavación se encontraron pendientes de plata de finales del siglo IV o principios del V y una copa de vidrio de época romana tardía. También se encontró debajo del pavimento un fragmento de "terra sigillata hispánica" de principios del IV. Todos estos hallazgos le hacen pensar en una segunda fase realizada a finales del siglo IV o principios del siglo V. Los hallazgos de cerámica y canceles de la época visigótica revelan la posterior utilización del monumento. La pila bautismal es una pieza más tardía y Hauschild la data comparándola con otras similares de Mallorca y Murcia de finales del VI o principios del VII.

Por último, el autor entrando en el campo de la especulación, señala los enterramientos situados dentro de la sala y delante de la puerta norte y noroeste. Estas tumbas pueden pertenecer a un cementerio medieval cuando el monumento pudiera ser ya una ruina. Para Pere Palol el templo martirial de Marialba se convierte en una de las primeras arquitecturas paleocristianas de la Hispania romana del siglo IV. Coloca la construcción en este mismo momento de los dos grandes mausoleos de Centcelles, en Tarragona, el mausoleo de La Alberca en Murcia y la sinagoga-basílica de Elche. En cuanto a la tipología lo clasifica como el primer caso de ábside de planta de más de medio círculo y lo relaciona formalmente con el templo martirial del Anfiteatro de Tarragona, con el edificio semejante de Sant Cugat del Vallés en Barcelona y con un edificio de la villa de "La Cocosa" en Cáceres. Estas arquitecturas sin embargo las data en el siglo VI. En un área geográfica más próxima, no olvida el profesor la existencia de exedras con forma de herradura en arquitecturas privadas, como el tablinium de la casa nº 1 de Clunia, en Burgos, o las exedras del pórtico Norte del peristilo de la villa romana de La Olmeda de Pedrosa de la Vega, en Palencia. Para Concepción Cosmen y Etelvina Fernández el edificio de Marialba sigue la tradición del pensamiento bajorromano en su factura y acabado desde el punto de vista técnico y estructural. También señalan el diseño de la cabecera y del nartex como fórmulas presentes en la península y en otras zonas mediterráneas. Lo mismo sucede con la utilización del recinto sagrado como lugar de enterramiento, costumbre que se seguiría en los primeros siglos del cristianismo. El profesor Ramón corzo distingue un "nacionalismo" e incluso un "regionalismo" en las edificaciones de esta época aunque prolonga el periodo hasta prácticamente el siglo X. No existe una uniformidad tipológica, aunque los habitantes de la península prolongan la tradición romana de forma clásica hasta la entrada de los estilos europeos traídos por el rey de Navarra. Cristina Godoy Fernández señala, respecto al monumento de Marialba, que los excavadores no describen la disposición del espacio interior del primer edificio. La autora piensa que el carácter martirial de esta primera fase es innegable. La autora considera que la fase III es el periodo constructivo más interesante de la historia del monumento. En ese momento supone la construcción el complejo bautismal cuyos muros se adosan a las fábricas del edificio. También defiende la hipótesis de que paralelamente el escenario bautismal, el edificio, se adaptara al culto eucarístico, pasando de martyrium a iglesia parroquial.

Según M. Valdéz Fernández y L. Avello Álvarez.