La capilla o cripta inferior, dedicada a la Santa toledana Leocadia, mártir muy venerada en época visigoda, fue destinada a acoger bajo el altar los restos de los mártires cordobeses Eulogio y Leocricia, traídos a Oviedo en enero de 884, bajo el obispado de Hermenegildus I (868-891) y reinando Alfonso III el Magno (866-910). Concebida en principio como cripta martirial, fue utilizada posteriormente como panteón episcopal.

La capilla superior, tradicionalmente considerada capilla palatina vinculada a construcciones palaciegas adosadas a la Catedral, podría haber tenido la función de capilla privada episcopal, apartada de los cultos relacionados con la basílica de San Salvador, y formaría parte de las construcciones del clero al servicio de la Catedral.

La dedicación a San Miguel Arcángel consta desde el siglo XII, momento en que experimenta una profunda transformación.

Hacia el último tercio de este siglo, una vez desarrollada la peregrinación jacobea y difundido el culto a las reliquias del Arca Santa, afrontó un proceso de reforma funcional, estructural y ornamental. Desde entonces comenzó a funcionar como una capilla relicario. Se sustituyó la cubierta primitiva por bóveda de cañón apoyada sobre dos arcos fajones, se construyó un arco triunfal ante la zona del santuario y se derribó el altar precedente para, en su lugar, disponer el Arca Santa.

Sin lugar a dudas, la zona más representativa es el Apostolado labrado en los fustes de las columnas que actúan de soporte para los arcos fajones. Emparejados de dos en dos aparecen: en el muro norte, San Simón y San Judas, Santiago y San Juan, San Andrés y San Mateo; en el muro sur, Santo Tomás y San Bartolomé, San Pedro y San Pablo, Santiago el Menor y San Felipe.

A los pies de la nave se emplazó un Calvario del que tan solo se conservan las cabezas esculpidas de Cristo, María y San Juan, complementadas con el resto de sus elementos figurativos pintados sobre el muro, que en la actualidad no se conservan.

Un repertorio iconográfico que, en su conjunto, alude a la salvación del hombre a través de la Redención y posterior Resurrección del Señor, difundida en todo el mundo por el colegio apostólico.

En el santuario de esta capilla se custodia el Tesoro y Relicario de la Catedral de Oviedo, presidido por el Santo Sudario y el Arca Santa (siglo XI), La Cruz de los Ángeles (808), La Cruz de la Victoria (908), y la Caja de las ágatas (910), entre otras muchas reliquias, que conforman uno de los conjuntos más significativos de la alta Edad Media hispana y europea.

Por el número e importancia de las reliquias que se custodian en la Cámara Santa, la Catedral de Oviedo recibe el nombre de Sancta Ovetensis.

La voladura de la Cámara Santa durante los sucesos revolucionarios de 1934 afectó gravemente el edificio. Los trabajos de recuperación se desarrollaron entre los años 1939 y 1942 e intervinieron Manuel Gómez Moreno y Alejandro Ferrant, en el desescombro y apeo de las ruinas, y Luis Menéndez- Pidal y Álvarez y Víctor Hevia Granda en su meritoria reconstrucción.