El templo más sobresaliente de Castillejo de Mesleón es, sin duda, la iglesia de Nuestra Señora de la Asunción, al otro lado del antiguo Camino a Francia (antigua Nacional I). Fue declarado Bien de Interés Cultural en el año 1995.
Aunque hay constancia de que en el subsuelo hubo una construcción visigoda no sacada a la luz, el edificio primitivo es de época románica, finales del siglo XII, a la que posteriormente (en el siglo XVI) se añadió la sacristía, de estilo gótico y fue nuevamente reformado en el siglo XVII añadiéndole el torreón, la espadaña y el pórtico. Se construyó con mampostería, sillarejo y sillar de piedra. De la primitiva iglesia románica quedan aún los capiteles del interior, los canecillos, la puerta de cinco arquivoltas y la pila bautismal.
El pórtico ocupa toda la longitud del muro sur de la nave. Se accede a su interior a través de una puerta de grandes dovelas abierta en el muro este. Por encima de la puerta hay una hornacina de piedra vacía. Dentro nos sorprende una espectacular portada románica de cinco arquivoltas, cuyo maestro podría ser el mismo que hizo la de Languilla, en la tierra de Ayllón. Alternan las arquivoltas lisas con las aboceladas, hasta llegar al trasdós decorado con gruesos motivos vegetales. Las arquivoltas aboceladas se apoyan en columnas con basas, capiteles y ábacos decorados con motivos vegetales idénticos a los de las impostas que reciben las arquivoltas lisas. Entre los temas que decoran los capiteles podemos observar la Degollación de los Inocentes, una lucha entre guerreros, otra lucha entre un guerrero y un león y sirenas pájaro. En un sillar a la derecha de las columnas de la puerta y junto con las marcas de cantería, podemos distinguir la figura de un castillo, probable referencia al nombre del municipio.
Todo el alero lleva una cornisa soportada por una serie de canecillos labrados de forma muy simple, nacela, bolas y uno con hoja.
A los pies del pórtico se encuentra la pila bautismal románica, decorada en forma de cáliz de flor y la entrada a la escalera de caracol que sube a la espadaña y que ocupa un cuerpo cilíndrico.
La nave de planta rectangular se cubre con armadura de madera. 
A sus pues se levanta el coro, apoyado sobre una columna de piedra en cuyo pedestal se lee la fecha de 1962. En su muro norte se alza el púlpito de piedra. El arco triunfal que separa nave y cabecera es doblado y trasdoseado con moldura de taqueado jaqués. Los capiteles de la dobladura reproducen motivos vegetales. El presbiterio es románico, pero sufrió una reforma, al menos, en 1685. El tramo recto se cubre con bóveda de medio cañón y el ábside con bóveda de horno. Amabas arrancan de una imposta que se origina en los ábacos del arco triunfal. En los muros del tramo recto se disponen sendos arcos ciegos sobre columnillas y capiteles decorados. En el suelo aparecen losas sepulcrales fechadas en 1531, 1601 y 1692.
El retablo mayor es barroco, dorado y policromado. Se organiza en tres calles, pero no conserva ninguna imagen ni pintura original.
En el lado del Evangelio (norte) se abre una pequeña puerta que comunica con la sacristía, añadida, como ya hemos indicado, en el siglo XVI. Esta estancia se cubre con bóveda de crucería en forma de estrella de cuatro puntas, una fórmula muy frecuente en el gótico postmedieval de la comarca. Las ligaduras forman una cruz con claves en sus extremos y en el centro. Esta última es más grande y se decora con un blasón cruzado.
