La Iglesia sigue las trazas dadas por el arquitecto jesuita Giuseppe Valeriani  en 1577. Ese mismo año se puso la primera piedra, pero las obras de explanación del solar, dirigidas por Juan de Gogorza, se detuvieron al poco tiempo y no volvieron a reanudarse hasta 1582, bajo la dirección del arquitecto Andrés Ruíz, también jesuita. En ese mismo año y de nuevo en 1585, el arquitecto real Juan de Herrera fue consultado para revisar y corregir las trazas de Valeriani y dar el proyecto definitivo que hoy podemos ver, pues las obras documentadas hasta 1588 y las que se contrataron en ese año con Ruiz y Gogorza (para construir la fachada principal y la nave hasta el crucero) coinciden con el edificio actual. En 1592 dejaba la dirección de obra Andrés Ruíz, poniéndose al frente de la misma Diego de Matienzo, y a la muerte de éste en 1594, su yerno Diego de Sisniega. En ese momento estaba ya construido el crucero, parte de las capillas y casi toda la fachada. En 1603 dirige las obras Pedro de Brizuela, llevando a cabo la decoración de las bóvedas y la apertura lateral mediante vanos termales. En 1606, antes de que las obras estuviesen completamente terminadas, ya se realizaba el culto en la iglesia desde que se trasladase allí, desde el antiguo colegio, el Santo Sacramento. Por entonces estaba toda la fábrica levantada excepto la capilla mayor y el campanario del muro del crucero, obras realizadas por Francisco Gutiérrez de la Cotera entre 1639 y 1641. En 1645 comenzó el adoquinado delante del Colegio de la Compañía.

El resultado fue una armoniosa iglesia de cruz latina inscrita en un rectángulo, con un eje longitudinal de cuatro tramos y otro transversal de transepto con crucero, y presbiterio profundo de testero plano. A cada lado de la nave se labraron cuatro capillas hornacinos y una amplia tribuna a los pies, siguiendo fielmente el modelo jesuítico establecido desde 1568-1573 por Jacopo Barozzi da Vignola en el Gesú de Roma. En alzado, los soportes se presentan en forma de pilares con pilastras adosadas tanto en los arcos torales  como en los formeros. El entablamento es corrido, rompiéndose tan sólo en el tramo del crucero y la cubrición se realiza a base de arcos de cantería descubierta de medio punto y bóvedas de medio cañón con lunetos, presentando una decoración geométrica muy plana. El cierre del crucero se lleva a cabo por medio de una cúpula de media naranja ciega, soportada sobre pechinas y dividida en ocho cascos. El sistema de iluminación se efectúa por medio de amplias ventanas termales. Según esta articulación interna se dispone el exterior, con un sistema de contrafuertes prismáticos aletonados.