Se sabe de la existencia del arco ya en el siglo XIV. La fachada se realiza en el siglo XVI. Obra de Francisco de Colonia y de Juan de Vallejo. Está concebido a modo de gran arco triunfal, y fue realizado con motivo de la visita del emperador Carlos I.
Todo el conjunto se halla presidido por Santa María.

El Arco de Santa María es uno de los monumentos más visitados y emblemáticos de la ciudad de Burgos. Se trata del revestimiento de una torre-puerta de la antigua muralla de la ciudad.
El origen constructivo de la torre data del siglo XIV, maciza y de marcado carácter militar tal y como se aprecia en la fachada que da al interior de la ciudad. Como puerta, la de Santa María, existe desde tiempos de Alfonso XI, estando en el lugar que había ocupado otra del siglo XI.
En el siglo XVI se adosa la fachada a la edificación preexistente, el motivo, conmemorar la visita del Emperador Carlos V a la ciudad de Burgos y ensalzar su entrada más importante.
El derribo de la portada vieja y la elevación de la nueva puerta corre a cargo de Francisco de Colonia, no obstante, a raíz de una denuncia por no seguir la traza correctamente, finalmente se opta por una doble dirección a cargo de Juan de Vallejo y el mismo Francisco de Colonia.
La construcción se da por concluida en 1553, con la colocación de las esculturas de Ochoa de Arteaga y la talla de las inscripciones. Desde entonces el Arco de Santa María ha desempeñado diversos usos a lo largo de la historia; ha sido cárcel, sede del consistorio y museo provincial.
Su aspecto exterior apenas ha variado. En 1570, con motivo de la visita de Ana de Austria, la piedra fue blanquead aunque la reina no llegó a pasar por esta puerta.
La fachada exterior tiene forma de ‘retablo’. Una división tanto en vertical como en horizontal, con tres cuerpos y tres calles. Los tres cuerpos se separan mediante líneas de imposta, a los que se añade una balaustrada entre el segundo y el tercero.
Las calles vienen delimitadas por las torres de los extremos y por unas columnas de altísimo canon en el centro. La decoración escultórica únicamente aparece en la calle central, mostrándose las otras dos calles desnudas de decoración. Esta calle central puede a su vez ser dividida interiormente en otras tres calles.
Llama la atención a simple vista la abundante presencia de torres y torreoncillos almenados, y perforados por múltiples saeteras. Podría definirse como un castillo de aspecto ‘heráldico’, símbolo de la fortaleza militar.
En cuanto a la calle central observamos que presenta los siguientes elementos, de abajo arriba: en el primer cuerpo el vano del arco entre dos columnas adosadas y dos medallones en las enjutas.
En el segundo, seis hornacinas con seis personajes, organizadas en tres calles y dos cuerpos menores.
Sobresale ligeramente el tercer cuerpo. Este último cuerpo aparece como un gran arco de medio punto que cobija una hornacina, arrancando el arco en cuestión de dos cubos de pequeñas proporciones. Remata el conjunto un edículo con frontón que sobresale de la línea de merlones.
En cuanto a los personajes, en el piso inferior, en el centro, encontramos la representación del Conde Diego Rodríguez Porcelos, fundador de la ciudad de Burgos en el año 884.
A sus lados, derecha e izquierda, se encuentran Nuño Rasura y Laín Calvo, Jueces de Castilla. En el piso superior, rodeando al Emperador Carlos V, se encuentran Fernán González a su derecha y el Cid a su izquierda.
Mientras los jueces aparecen con ropajes de índole civil, como es propio de su condición, y con la vara de mando en la mano, los tres personajes superiores se nos presentan con armaduras y espadas desenvainadas.
Carlos V es portador de sus atributos imperiales, como son la corona y la bola del mundo.
El tercer cuerpo de esta fachada posee tres esculturas. A ambos lados, y justo bajo los husillos de los torreones que lo delimitan, dos maceros tenantes de escudos se adosan a la pared. En el centro y bajo el arco, en hornacina, sobre ménsula y cubierto de doselete, se sitúa, también vistiendo armadura, el Ángel Custodio de la ciudad.
Ya en la línea de almenas superior sobresale la imagen de la Virgen María con el Niño en su templete. Este lleva en el frontispicio un ángel con las alas extendidas, de modo que se adapta al marco que lo contiene.
Respecto a la decoración heráldica del conjunto hay que añadir a los escudos mencionados otros dos, en las enjutas del arco del cuerpo superior. Son, nuevamente, dos representaciones de las armas de Burgos