Es obra de Juan de Vallejo y de Francisco de Colonia, que concibieron su remodelación como un castillo señorial con dos robustos cubos y un gran arco de triunfo en honor de Carlos V.
En el arco están representados, además del emperador Carlos V, los principales personajes de la Castilla medieval: los dos principales jueces; Laín Calvo y Nuño Rasura, el fundador de Burgos, el conde Diego Porcelos, el primer conde independiente Fernán González y el Cid Campeador.

En su interior se encuentra la Sala de Poridad o del Secreto, lugar de reunión del Concejo de Burgos hasta 1791. Está cubierta con un bello artesonado mudéjar del siglo XIV y en ella se exhiben objetos relacionados con el Cid como un hueso de su anatomía con su documento de autenticidad, una reproducción de la espada Tizona y una edición facsímil del Poema de Mio Cid. También se expone el sillón de los jueces de Castilla, la Vara de Burgos o de Castilla, medida universalizada por Felipe II, la llave del castillo de Burgos y el Brasero y la Puerta de acceso al Archivo del Arco.

En los años noventa se realizó una cuidada restauración de su interior, que acogió también entre los años 1879-1955 un Museo Arqueológico. En 1994 el Arco de Santa María fue reabierto, albergando en estos momentos el Centro Cultural Histórico-Artístico de Burgos.