Будівництво храму та колегіуму, що до нього прилягає, відбувалося протягом 1616-1639 років за проектом італійського архітектора Джакомо Бріано. До вдосконалення та певних змін у будові Луцького костелу ордену єзуїтів (Societas Iesu) спричинилися архітектори: Бенедикто Моллі, Павло Гіжицький, Андрій Агорн, Йосип Умінський, Михайло Соболевський, Фаустин Гродзицький.
Спочатку архітектура костелу 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 також своїми підземеллями, які подекуди мають навіть два рівні.
Окрім того, чудова акустика підсилює звучання величезного органу, який не лише супроводжує літургії, але й виконує шедеври класичної музики на концертах, які організовуються 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.
