Construido en 1180 (según testimonia la inscripción visible en una de sus vigas), este edificio mudéjar posee cinco naves separadas por pilares sobre los que descansan arcos de herradura. Si bien existe cierto contraste entre la sobriedad del exterior de la sinagoga y su elaborado interior, el edificio presenta no poca austeridad.
Se trata de una construcción mudéjar, creada por canteros moros. Sus elementos de arquitectura incluyen paredes blancas y lisas, hechas de ladrillo, arcos de herradura y pilares octogonales, decoración geométrica en los frisos y vegetal en los capiteles de los pilares. Todas estas características y la distribución de los espacios, con sus naves formadas por la sucesión de arcos de herradura soportados por pilares, tienden a recordar la tipología propia de una mezquita. No obstante, en el siglo XIX, la articulación interior y estilo morisco de Santa María la Blanca han servido de modelo para importantes sinagogas europeas y americanas.
El edificio fue convertido en iglesia en 1411 y, desde entonces, se lo denominó "Iglesia de Santa María la Blanca".
En 1550, el cardenal Siliceo la transformó en un beaterio para mujeres públicas arrepentidas.
Entre 1600 y 1701 el edificio permaneció desocupado. Durante el siglo XVIII fue cuartel de las tropas de la guarnición de Toledo. Con la invasión napoleónica de principios del siglo XIX fue convertido en depósito. A mediados del mismo siglo se lo declaró monumento nacional y, tras la guerra civil española, un real decreto del gobierno lo cedió a la Iglesia Católica.
