A XI. században épült román stílusú templom és altemplom építéséről nincsenek írott emlékek. A megoldáshoz Györffy György, a középkor neves kutatója jutott, kiderült ugyanis, hogy a XIV. században Debrő plébániatemploma a Szent Kereszt tiszteletére volt szentelve. A Szent Kereszt ereklyét Szent István 1018 táján kapta, tehát csak ezt követően épültek így szentelt templomok. Annyi bizonyos, hogy az építtető királyi rangú személy lehetett, talán Aba Sámuel, aki uralkodása előtt kezdte építeni a templomot, majd halála után (1044) ide temethették.
Az első 20x20 méter, négyzet alaprajzú templomból igen kevés maradt fenn. A kutatások feltárták, hogy ez a templom öthajós, centrális épület volt, középen toronnyal. A következő század folyamán alakították át, a korábbi öthajós templom ekkor háromhajós, az eredetileg centrális alaprajzú épület kereszt alakú lett. A templom alaprajzát tekintve a keleti (bizánci) kereszténység centrális templomaira emlékeztet, de a keletiekben nincs altemplom. Nyugat-Európában viszont — ahol a halottkultusz a XI. századtól erőteljesen kibontakozott, s ezért az altemplomépítés igen gyakori volt — szinte nincsenek centrális templomok. A honfoglalást követő évszázadban — amikor a magyarság szempontjából még nem dőlt el végérvényesen, hogy a nyugati, avagy a keleti kereszténység lesz a meghatározó — fontos kortörténeti elem a feldebrői altemplom.
A templomot a későbbi századok során többször átépítették, így a XV. században, amikor déli homlokzatán gótikus ablakokat nyitottak. A mai épületről az 1700-as évekből van írásos emlékünk. 1743-ban jelentős átépítést hajtottak végre a templomon, melyek költségét Grassalkovich Antal fedezte. Ekkor távolították el a templom közepének pillérsorát, ami később sok gondot okozott. A statikai hibák és a mennyezet megrepedezése miatt 1785-ben ismét rekonstrukciót hajtottak végre az épületen. 1793-ban vihar tett kárt az épületben, ezúttal a tetőzet szenvedett súlyos sérülést.
Az 1870-es években Henszlmann Imre fedezte fel az altemplom középső szakaszát, falain a semmihez sem hasonlítható falfestményeket.
Az altemplomba lépcsőn lehet lejutni. A húsz méter hosszú hajót szokatlan tagolású, zömök, erőteljes oszlopkötegek osztják ketté, ezek tartják az épségben megmaradt kőboltozatot. Hazánk legkorábbi freskóit őrzik ezek a falak, ehhez hasonló festmények előzményeit Észak-Itália bizánci hatásokat őrző, X.-XI. századi templomaiban találni.
