Iglesia de San Juan Bautista
Templo de gran tamaño y poseedor de valiosas y variadas obras de arte, a pesar de las pérdidas y expolios, que se han sucedido con lamentable frecuencia.
Su construcción se desarrolló desde el siglo XIV al XVII, y sustituyó a una iglesia que se levantaba en el mismo lugar, probablemente románica. Apenas concluidas las obras, a mediados del XVI, la torre se desplomó y hundió gran parte de las naves, con lo que se inició la reconstrucción cuyo aspecto final es el que ha llegado hasta nosotros.
Es un templo de estilo gótico tardío, ya muy influido por la decoración renacentista, que se observa particularmente en el interior. Posee tres naves de igual altura cubiertas con bóvedas de crucería estrellada, sostenidas con esbeltos pilares-columna. Tiene además un coro alto a los pies y gran cantidad de espacios adosados al cuerpo principal, como la sacristía, el baptisterio, varias capillas funerarias (algunas de ellas en ruinas), cripta, etc. El aspecto general es sobrio y macizo por fuera, pero diáfano y amplio en el interior.
La iglesia custodia importantes colecciones escultóricas en forma de retablos y sepulcros, y uno de los mejores conjuntos de platería de toda la provincia de Palencia.
Iglesia de Santa Eulalia
Las ruinas de una torre, unos muros y unos pilares son el único resto que perdura de la que fue la iglesia del barrio de Santa Eulalia, templo gótico de tres naves con varias capillas funerarias.
En su sacristía se conservaba el archivo de la villa de Palenzuela, y en la torre existió un reloj, con lo que su importancia en la vida del pueblo fue grande mientras se mantuvieron sus rentas y su feligresía.
En 1844 se unió la parroquia a la iglesia de San Juan, y poco más tarde el templo empezó a amenazar ruina, hasta llegar al estado que hoy se contempla. Desde 1930 las ruinas y el solar son propiedad del municipio.
En la actualidad permanecen unas ruinas reparadas, con una torre almenada que aún conserva una escalera de caracol, la portada, en arco apuntado y con varias arquivoltas, fragmentos de muros y algunos pilares con arcos; también se conserva parte del pavimento pétreo.
Ermita de la Virgen de Allende de Río
Se yergue a unos cientos de metros de la villa, junto a una de las carreteras de acceso. Muy cerca de ella se encuentra el río, y un hermoso paisaje de chopos.
Esta ermita fue en el pasado la parroquia de un barrio extramuros, llamado de Santa María, que ya no existe. En los alrededores se han encontrado estelas funerarias romanas y visigodas, entre otros elementos arqueológicos; aún existen vestigios de una antigua calzada romana que salva un arroyo.
La portada de acceso presenta tres arcos ligeramente apuntados, de transición entre el románico y el gótico; el resto de la fábrica es de múltiples épocas. En el interior existe un bello sepulcro de arcosolio, y unos grandes frescos góticos hallados por casualidad tras una reciente restauración; también se descubrió un arco de herradura en el muro sur, de época visigoda o mozárabe.
Muralla y Castillo
Aunque ya ruinosos y casi olvidados, el castillo y la muralla de Palenzuela dan cuenta del poderío y la importancia de que disfrutó la villa.
Del castillo, situado en el extremo oriental de la villa, en una terraza que domina el valle del Arlanza, tan solo permanecen las ruinas de dos torres y el basamento de la tercera, junto a fragmentos y arranques de algunos muros, sobre los que se aprecian todavía huecos de puertas y ventanas.
Todo el conjunto está realizado de una mezcla de tapial y mampostería, de la que sobresale aún parte del entramado de madera, y está casi condenado a una completa desaparición.
