Здание отодвинуто в глубину участка, как и предлагал Трезини. В плане собор представляет собой латинский крест, над средокрестием высится крупный купол на мощном барабане. В центре главного фасада – гигантская арочная ниша с двумя колоннами. Этот мотив сходен с аркой Новой Голландии Валлен-Деламота и вместе с тем вызывает ассоциации с сооружениями итальянского ренессанса. Ясность членений, слитность ордера со стеной, обработка поверхности большими плоскими впадинами типичны для раннего петербургского классицизма. О барокко напоминают криволинейные очертания окон и наличников, полные динамики статуи евангелистов на парапете. Изысканное оформление фасада включает так называемый «цветок Ринальди» – своеобразный автограф зодчего. Пилястры и трехчетвертные колонны композитного ордера организуют построение внутреннего пространства. Живопись была исполнена Д. Валериани, рельефные композиции – скульптором К. Альбани. В 1897 году создана новая роспись по эскизам архитектора Г.Д. Гримма и установлены витражи рижской мастерской Э. Тоде. Зал костела с органом славился своей акустикой.
Церковью сначала управляли бенедиктинцы, в начале XIX века – иезуиты, в 1816–1898 годах – доминиканцы. Ее посещали гости столицы: А. Мицкевич, О. де Бальзак, Т. Готье, А. Дюма, Ф. Лист, Ж. де Местр. Незадолго до гибели А.С. Пушкина в январе 1837 года здесь венчались Ж.Ш. Дантес и Е.Н. Гончарова. В костеле были погребены: в 1798 году – последний польский король Станислав Август Понятовский, отрекшийся от престола после третьего раздела Польши в 1795 году и живший последние свои годы в России (в 1938 году прах короля перевезли в Польшу); в 1813 году – французский генерал Ж.В. Моро, участник похода против Наполеона. В 1858 году состоялось отпевание архитектора О. Монферрана.
В домах при церкви находились гимназия, начальные училища и приют, большая библиотека. Здесь жили в 1760–1770 годах придворный живописец А. Перезинотти, в 1790-х – архитектор В. Бренна и скульптор П. Трискорни. В конце XVIII – начале XIX века открытые галереи нижнего этажа занимали «Нюрнбергские лавки» («Нюрнбергская линия»), где немецкие купцы торговали книгами и письменными принадлежностями, игрушками и галантереей.
В доме № 32 с 1798 года работала книжная лавка Ф.Л. Свешникова. Позднее – магазин шоколадной фабрики, в середине XIX века – музыкальный магазин М.И. Бернара, в конце столетия – фотография К.А. Шапиро. В 1900–1910 годах здание избрали своим местопребыванием Русское общество полевых и узкоколейных путей «Паровоз», Первая женская аптека А.Б. Лесневской со школой лекарских помощниц, Музыкально-вокально-драматические курсы Б.В. Поллака, артель перевозчиков мебели, магазин фортепьяно Э.Р. Ратке. В доме № 34 во второй половине XIX – начале XX века находились ювелирные фирмы «Э. Кортман» и «Э. Бурхард», Петербургское отделение Коммерческого банка в Варшаве, магазин садоводства В.К. Фрейндлиха, фотография М. Белявского, книжный магазин Ф.В. Щепанского, контора фирмы «Бр. Аксерио», выполнявшей отделочные работы в разных материалах.
Церковь была закрыта в 1938 году и затем использовалась под склады. Здесь же работала дирекция Музея истории религии и атеизма. В 1970 году началась реставрация здания (по проекту архитектора А.И. Тараненко), в нем предполагалось создать органный зал филармонии. Однако пожар 1984 года уничтожил всю сохранившуюся внутреннюю отделку. В 1992 году храм передали римско-католическому религиозному объединению. Восстановительные работы велись по проекту польских «Мастерских реставрации старины». Ремонт фасадов выполнили ГП «Фасадреставрация» и ЗАО «Ремфасад». Воссозданием интерьера в течение десяти последних лет занимались Институт «Ленпроектреставрация», фирмы: «Пассим», «Прометей», «Водолей плюс» и «Лапин интерпрайз». Основные работы закончены осенью 2008 года.