Будівництво храму та колегіуму, що до нього прилягає, відбувалося протягом 1616-1639 років за проектом італійського архітектора Джакомо Бріано. Спочатку його архітектура була ренесансною, потім – частково бароковою і класицистичною.

Загалом храм є тринавною хрестовокупольною базилікою на основі грецького хреста з обхідними галереями та двома вежами на кутах головного фасаду. Головний фасад є найбагатшим за композиційною грою об’ємів, площин і кількістю осей. Центральною є скульптура Божої Матері, яка стоїть на земній кулі та бореться зі змієм. На нижньому ярусі обабіч входу знаходяться скульптури Петра і Павла.

Костел відомий підземеллями, які мають навіть три рівні. У храмі чудова акустика, що підсилює звучання величезного органу. Він супроводжує літургії, на ньому виконують шедеври класичної музики на концертах у костелі.

Єзуїтський колегіум, що прилягає до костелу, був знаним вищим навчальним закладом із величезною бібліотекою, студентським театром. У колегіумі, як правило, навчались діти шляхтичів Волинського воєводства, рідше – луцьких міщан.