Bajo la advocación de San Pelayo; se construyó con piedra durante la segunda mitad del siglo XV y comienzos del XVI en estilo gótico. En el siglo XVIII se reconstruye la capilla de Nuestra Señora del Rosario, en el lado de la Epístola, concluyéndose en 1745.
Tiene tres naves de cuatro tramos separadas por gruesos y recios pilares compuestos que reciben arcos apuntados; aquellas se cubren con bóvedas de crucería estrellada con tondos en las claves. La capilla mayor es hemiexagonal con contrafuertes radiales al exterior. El coro se dispone en alto a los pies y conserva restos en la barandilla de labores mudéjares realizadas en yeso.
El acceso se produce por el lado de la Epístola a través de portada con arquivoltas abocinadas, la exterior conopial, decoradas con crochets y baquetones que descansan sobre las jambas, la parte superior con finas columnillas con capiteles vegetales y la parte inferior con triple cajeado. En el interior vano con arco carpanel, éste también con crochets.
Torre clasicista de la segunda mitad del siglo XVI construida en piedra, a los pies. Tiene tres cuerpos.
Importante retablo mayor plateresco del primer tercio del siglo XVI. Contiene 51 pinturas sobre tabla (h. 1520) y esculturas. Se aprecia la intervención de al menos tres pintores relacionados con Italia y Juan de Borgoña, dos que conocen a Leonardo, Miguel Angel y Rafael, uno parecido a Juan Soreda, y un tercero próximo a León Picardo, aunque el conjunto se ha atribuido al denominado Maestro de Olivares. Presenta temas de las vidas de San Pelayo, Jesucristo y la Virgen, así como Doctores, Santos, Apóstoles y personajes del Antiguo Testamento. Entre las esculturas destaca la del Calvario, atribuida a Alonso Berruguete; las estatuas de San Pelayo y la Asunción se adscriben a la escuela burgalesa y al estilo de Vigarny o al círculo de Guillén de Holanda, mientras que en la arquitectura intervino el entallador Pedro de Guadalupe.
Notable es también un angustioso Crucificado de hacia 1556 obra del gran escultor francés Juan de Juni.
Autor: Javier Rivera Blanco.
Bibliografía: J.J. MARTIN GONZALEZ, "El retablo mayor de la iglesia parroquial de Olivares de Duero", B.S.A.A., Universidad de Valladolid, 1953-1954; J.J. MARTIN GONZALEZ y otros, Inventario artístico de Valladolid y su provincia, Valladolid, 1968; J. URREA FERNANDEZ, Catálogo monumental de la provincia de Valladolid. Antiguo Partido Judicial de Valoria la Buena, Valladolid, 1974; J.J. MARTIN GONZALEZ y otros, Exposición de la restauración del retablo mayor de la iglesia parroquial de Olivares de Duero, Valladolid, 1986; VV.AA., Rutas turísticas de Castilla y León, Palencia, 1990.