La chiesa sorge sulla salita del Colle del Castello di Udine, in altura, con orientamento est-ovest; una rampa di scale conduce al pianerottolo che ne costituisce il sagrato. L'edificio ha pianta ad aula rettangolare suddivisa in tre navate e zona presbiteriale conclusa da tre absidi semicircolari, di modeste dimensioni. Le navate laterali hanno un’altezza inferiore rispetto all’aula. Addossata al lato meridionale si trova la sacrestia, cui si accede dall'interno della chiesa - varcando una porticina sul cui architrave è incisa la data 1456 -, illuminata da due finestre strombate, collocate a sud e ovest. Prospiciente la sacrestia e parzialmente inglobato nel corpo della chiesa, si eleva il campanile, con fusto a pianta quadrata con feritoie, cella campanaria con bifore ad arco a tutto sesto, tamburo ottagonale e cupola sovrastata da angelo girevole segnavento. Il prospetto principale è suddiviso orizzontalmente da una cornice marcapiano aggettante in due partizioni: l'inferiore, tripartita da lesene, poggianti su alto basamento, con capitelli corinzi, ospita al centro un ampio portale, rialzato di due gradini. Il portale presenta doppi stipiti in pietra - quelli esterni decorati con patere - sormontati da capitelli, decorati con figure fantastiche, che sorreggono l'architrave con timpano curvo ornato da un motivo a dentelli. Fiancheggiano il portale due finestre rettangolari di grandi dimensioni, protette da cornici aggettanti. Sotto il davanzale di ciascuna di esse, sono collocate, in un finto drappo terminante con testina, due iscrizioni che ricordano il nome del priore e del camerario della Confraternita di S. Maria e la data di inizio dei lavori di ricostruzione della fronte dell'edificio. La parte superiore della facciata è conclusa da un timpano triangolare sorretto da due lesene corinzie che si elevano dalla cornice marcapiano, in corrispondenza di quelle del registro inferiore; al di sotto del timpano, nella parte centrale, si apre un oculo. Due volute semicircolari fungono da raccordo tra il timpano e la parte inferiore del prospetto. La facciata, con struttura architettonica in pietra, è intonacata così come le pareti esterne dell’aula, mentre le absidi e la sacrestia presentano un paramento in pietra, cotto e mattoni a vista. Un motivo romanico ad arcatelle pensili cieche, parte in pietra (XII secolo) e parte in cotto (XIII secolo), decora le tre absidi; una cornice a dentelli in mattoni corre nel sottogronda dei fianchi laterali dell’aula. Nella parte mediana di ciascuna abside si apre una piccola finestra, di cui quella centrale leggermente strombata; tutte e tre le finestrelle sono state chiuse con una lastra di alabastro durante i lavori del 1931. Sul fianco meridionale dell’aula si aprono una porta romanica ad archi a tutto sesto concentrici, una monofora strombata ed una ad arco trilobato; sullo stesso fianco è posta una lapide, collocata nel 1924, che ricorda come la chiesa fosse stata scelta nel 1921 per accogliere - prima del trasferimento nella basilica di Aquileia - i resti di sette militi ignoti caduti durante la prima guerra mondiale. Sul fianco settentrionale trovano posto cinque aperture, di cui tre strombate. L’interno dell’edificio sacro presenta una partizione degli spazi molto semplice: l’aula è suddivisa in tre navate da grandiosi archi a tutto sesto impostati su pilastri in pietra squadrata a vista, che presentano ancora tracce di decorazione ad affresco. Le tre navate sono concluse da absidi che nella cupola emisferica conservano cicli di affreschi, riferibili ad epoche diverse (XIII-XVI secolo), di pregevole fattura. Anche sulle pareti sono ancora visibili lacerti di affreschi. La copertura della navata centrale è a capriate lignee a vista, quella delle navate laterali è costituita da una orditura lignea. Il pavimento, frutto dei restauri degli anni 1928-1931, è in lastre irregolari di pietra; solo una parte della zona presbiteriale è in cotto. In controfacciata si trova il matroneo, ripristinato anch’esso con i restauri degli anni Trenta.
Le origini della chiesa di Santa Maria di Castello si possono collocare in tempi assai remoti. Durante i lavori di restauro compiuti negli anni 1928-1930 vengono alla luce, all'interno dell'edificio, frammenti di pietre e laterizi, tra cui un'epigrafe in marmo che riporta il nome del re longobardo Liutprando (712-744), che inducono a pensare che la chiesa primitiva sia sorta in epoca longobarda. Senza dubbio, alla fine del X secolo, sul colle del Castello esiste un edificio di culto: lo attesta il diploma imperiale dell'11 giugno 983 con cui Ottone II, durante la dieta di Verona, concede la giurisdizione al patriarca di Aquileia Rodoaldo su cinque castelli e sulle loro pertinenze (Buja, Fagagna, S. Margherita del Gruagno, Udine e Braitan, forse Brazzacco di Moruzzo). La chiesa, di dimensioni comunque modeste, viene sostituita da un nuovo edificio di culto, di impronta romanica, costruito probabilmente nel XII secolo. L'impianto dell'edificio e la somiglianza con altre chiese dell'Italia settentrionale e della Carinzia, con pianta ad aula rettangolare a tre navate, rendono verosimile questa ipotesi. Un'attestazione indiretta dell'esistenza della chiesa è fornita da una bolla di papa Clemente III del 1188 in cui viene citato un “plebanus de Utino”, confermando così anche il ruolo plebanale attribuito a Santa Maria. Essa mantiene i diritti di pieve fino al 1263, quando il patriarca Gregorio di Montelongo ne dispone il trasferimento alla chiesa di S. Odorico (attuale Duomo), da poco edificata alla base del colle, per soddisfare le necessità della popolazione residente in piano, in costante crescita. Le prime notizie riguardanti il campanile, probabilmente eretto al posto di una delle torri di vedetta del recinto fortificato, risalgono al 1378. In quell'anno i Deputati della città di Udine deliberano di compiere delle riparazioni urgenti a causa del preoccupante stato in cui si trova il bene. Nel 1430 l’edificio sacro, come riportato in un documento, si trova in precarie condizioni di stabilità; nel 1443 il Consiglio della città affida alla Confraternita di Santa Maria l'amministrazione dei beni della chiesa in modo da poter procedere alle necessarie riparazioni e scongiurare così la rovina del luogo di culto. Nel 1456 viene costruita, addossata al lato meridionale dell'edificio, la sacrestia. Una delle finestre della nuova costruzione viene abbellita da una pregevole vetrata dipinta con la figura della Madonna con in braccio il Bambino, che regge con la mano sinistra il modellino del Castello e della chiesa di Santa Maria, raffigurata con facciata a salienti e slanciato campanile con cuspide. Durante la seconda metà del XV secolo la costruzione viene sottoposta a continui lavori di manutenzione e viene arricchita da elementi d'arredo, opere d'arte e suppellettili preziose, il cui numero si accresce anche nel secolo successivo. Anche nel campanile vengono eseguiti dei lavori con il rifacimento della pigna (1459) e il rinforzo delle strutture murarie. Il rovinoso terremoto del 26 marzo 1511, oltre a distruggere quasi completamente il Castello, danneggia gravemente la chiesa e il campanile. Mentre i lavori per la riedificazione, dalle fondamenta, del campanile iniziano già nel 1515, la chiesa non subisce alcun intervento. Solo alla fine del 1525 la fronte dell’edificio, compromessa dal terremoto, viene demolita. Nella primavera del 1526 si dà il via ai lavori di costruzione della nuova facciata, forse progettata dal lapicida e architetto Bernardino da Morcote e realizzata grazie ai finanziamenti della Confraternita di Santa Maria di Castello. I lavori che si protraggono fino al 1528, sono forse conclusi nel 1530. Nel 1643 il campanile, danneggiato da un fulmine l’anno prima, viene restaurato e la sua struttura rinforzata. Anche l’angelo segnavento che sovrasta la cupola del campanile viene restaurato. Nel Settecento è l'interno della chiesa a subire significative modifiche: se nel 1717 e nel 1784 vengono compiuti solo modesti lavori di riadattamento, negli anni compresi tra il 1797 e il 1801 si attua una radicale trasformazione secondo il gusto neoclassico del tempo. Si modificano gli spazi con l’utilizzo di falsi archi e volte, vengono mascherati i pilastri interni con strutture lignee rivestite di malta, vengono abbassati i soffitti, viene innalzato un nuovo altare maggiore di tipo neoclassico, in pietra. Tra il 1928 ed il 1931, nel corso di un radicale restauro, le strutture neoclassiche vengono demolite e viene ripristinata la struttura romanica del XII secolo, rispettando gli elementi di altre epoche d'importanza storica e artistica. Vengono così mantenute le finestre trilobate aperte nel Quattrocento, vengono murate alcune finestre risalenti al rifacimento settecentesco e ripristinate altre aperture, viene riaperto il rosone della facciata, ricostruito l'antico matroneo e rifatto il pavimento in pietra. Nel 1944 alla base del colle del Castello si intraprende lo scavo per la costruzione di un rifugio antiaereo: nella zona absidale della chiesa si aprono delle crepe. I lavori vengono interrotti e la chiesa viene consolidata con iniezioni di cemento. Fino al 1976 nell’edificio non vengono compiuti altri interventi; dopo il terremoto, con i lavori di restauro, nelle tre absidi semicircolari viene asportato l'intonaco e rimessa a vista la pietra. Nel 1987 gli affreschi dell'abside destra vengono restaurati con l'eliminazione delle pesanti ridipinture riferibili ad un precedente intervento conservativo.
Edificio ad aula rettangolare a tre navate concluso da absidi semicircolari; murature in elevazione miste, facciata principale con struttura in pietra; tetto dell'aula a capanna a due falde, delle navate laterali a una falda, delle absidi a semicono; struttura della copertura dell’aula con capriate lignee, e delle due navate laterali con orditura lignea.
Bergamini G., La chiesa di Santa Maria di Castello in Udine, Udine 2004
Guerra A., I lavori di Bernardino da Morcote per la facciata e il campanile della chiesa di Santa Maria di Castello in Udine: nuovi documenti e acquisizioni, in Arte Documento, Milano 1990, n. 4
Rizzi A., La Chiesa di S. Maria, la casa della Confraternita e il campanile del Castello di Udine, in Avanti cul brun. Lunari di Titute Lalele, Udine 1960, n. 27
Valentinis G., La chiesa di Santa Maria del Castello di Udine, in Memorie Storiche Forogiuliesi, 1930, XXVI
Fabiani R./ Lizzi R., Udine. Santa Maria di Castello, in La tutela dei beni culturali e ambientali nel Friuli Venezia Giulia (1986-1987). Bollettino dell'attività della Soprintendenza, Trieste 1991, Relazioni, 8