De la première église fondée par l’évêque Notger en 979, il ne resterait qu’un pan de mur visible au sud du chœur oriental. Rare église liégeoise à posséder encore un double chœur, la collégiale Sainte-Croix constitue un bel exemple d’église halle avec trois nefs de presque égale hauteur.
Le chœur oriental et le transept datent du XIIIe siècle, la nef des XIIIe et XIVe siècles, et les différentes chapelles latérales, reconnaissables à leur baie triangulaire, du XVe siècle. Quant au chœur occidental et à la tour qui le surmonte, ils furent édifiés au début du XIIIe siècle et ont la particularité de mélanger style roman et style gothique.
Curieusement, la collégiale Sainte-Croix compte, côte à côte, deux portails. Au milieu du XIXe siècle, un second portique fut aménagé dans le chœur occidental en vue de supprimer celui existant. Cependant ce dernier fut conservé et même restauré durant l’entre-deux-guerres. Une petite impasse, bordée par des édifices anciens, contourne le chœur oriental et donne accès au cloître. L’entrée de cette voirie est marquée, à gauche, par l’ancienne église Saint-Nicolas-aux-Mouches, qui fut l’une des plus petites églises que compta Liège.
Exposé actuellement au Grand Curtius, ce triptyque, daté du XIIe siècle, provient du trésor de la collégiale Sainte-Croix. Il est occupé en son centre par une relique de la Vraie Croix, qui fut offerte, selon la tradition, par l’empereur Henri II lors de son passage à Liège en 1006. La relique est surmontée par une allégorie de la miséricorde réalisée en émail.
Au sommet du triptyque, un tympan arrondi accueille une représentation du Christ. Enfin, les deux volets sont occupés par des représentations des douze apôtres. À l’image des plaques émaillées entourant la représentation du Christ, le triptyque est décoré par de nombreux motifs qui enrichissent l’ensemble de la composition. Cette œuvre, tout comme les fonts baptismaux de Saint-Barthélemy, témoigne de l’influence byzantine et des modèles antiques dans l’art de cette époque.
D’autres trésors, comme la clef de saint Hubert ou L’invention de la Sainte Croix de Berholet Flémal (1614-1675), seront présentés dans la collégiale après sa restauration qui est en cours. Actuellement la clef de saint Hubert est exposée au Trésor de Liège, et L’invention de la Sainte Croix à la cathédrale Saint-Paul.
La collégiale est en cours de restauration, elle n'est accessible qu'occasionnellement.