Die untere Kapelle oder Krypta, die der Heiligen Leocadia von Toledo gewidmet ist, einer zur Zeit der Westgoten verehrten Märtyrerin, sollte unter dem Altar die sterblichen Überreste der Märtyrer Eulogius und Leocricia aus Córdoba beherbergen. Diese Überreste wurden im Januar 884 unter dem Bischof Hermenegildus I. (868-891) und während der Herrschaft Alfons III. des Großen (866-910) nach Oviedo gebracht. Die ursprünglich als Märtyrerkrypta gedachte Kapelle wurde später als bischöfliches Pantheon genutzt.

Die obere Kapelle wird traditionell als Palastkapelle betrachtet, da sie Teil der an die Kathedrale angeschlossenen Palastgebäude war. Eventuell diente sie als private Kapelle der Bischöfe, von den Kulten der Basilika San Salvador getrennte, und wurde Teil der Bauten des Clerus für die Kathedrale sein.

Im 12. Jahrhundert, einer Zeit, in der die Kirche eine tiefgreifende Veränderung erfuhr, wurde sie dem heiligen Erzengel Michael gewidmet.

Im letzten Drittel des 12. Jahrhunderts hatte sich der Pilgerweg nach Santiago de Compostela bereits etabliert, und es war ein Kult um die Reliquien im Heiligen Arche entstanden. In dieser Zeit wurde die Cámara Santa in Bezug auf ihre Funktion, ihre Struktur und die dekorativen Elemente neu gestaltet und diente seither als Reliquienkapelle. Die ursprüngliche Decke wurde durch ein von zwei Gurtbögen getragenes Tonnengewölbe ersetzt und vor dem Altarraum ein Triumphbogen errichtet. Der vorherige Altar wurde durch den Heiligen Schrein ersetzt.

Besonders beeindruckend sind die mit den Säulenschäften der Gurtbögen verbundenen Figuren der 12 Apostel. Diese Figuren sind paarweise wie folgt angeordnet: An der Nordwand befinden sich die Apostel Simon und Judas, Jakobus und Johannes, Andreas und Matthäus, an der Südwand die Apostel Thomas und Bartholomäus, Petrus und Paulus sowie Jakobus der Jüngere und Philippus.

Am Fuße des Raums befand sich eine Kreuzigungsgruppe, von der nur die Kopfskulpturen von Christus, Maria und Johannes erhalten sind. Die figurative Wandmalerei, die das Ensemble ergänzte, besteht heute nicht mehr.

Ein ikonografisches Repertoire, das in seiner Gesamtheit auf die Erlösung des Menschen und die anschließende Auferstehung des Herrn anspielte – die frohe Botschaft, die durch die zwölf Apostel in der ganzen Welt verbreitet wurde.

Im Sanktuarium dieser Kapelle werden der Domschatz und die Reliquien der Kathedrale von Oviedo aufbewahrt. Hierzu gehören das Heilige Grabtuch und der Heilige Arche (11. Jh.), das Engelskreuz (808), das Siegeskreuz (908) und der Achatschrein (910) sowie viele weitere Reliquien, die eine der bedeutendsten Sammlungen des frühen spanischen und europäischen Mittelalters bilden.

Aufgrund der Anzahl und Bedeutung der in der Cámara Santa aufbewahrten Reliquien erhält die Kathedrale von Oviedo den Namen Sancta Ovetensis.

Die Sprengung der Cámara Santa während der Bergarbeiterrevolution von 1934 führte zu starken Schäden an der Struktur. Die Restaurierungsarbeiten wurden zwischen 1939 und 1942 durchgeführt. Manuel Gómez Moreno und Alejandro Ferrant leiteten die Räumung und Freilegung der Ruinen, Luis Menéndez-Pidal y Álvarez und Víctor Hevia Granda den besonders gelungenen Wiederaufbau.