Il tempio sorge nel luogo dove nel 1243 i frati di San Domenico eressero una prima chiesa, dedicata a San Matteo, non lontano dall'antica porta Castello, così detta dalla prossimità al Castello estense. Nel 1708 i Domenicani decisero l'atterramento dell'edificio e affidarono il progetto e il cantiere della nuova chiesa all'architetto bolognese Giuseppe Antonio Torri, affiancato dall'allievo Francesco Maria Angelici; si mutò anche l'orientamento: non più "liturgico", con le absidi a oriente - secondo il concetto che Cristo è la lux mundi - ma con la facciata allineata a quella del Palazzo Ducale, sul piazzale antistante, secondo una chiara sensibilità urbanistica. La chiesa fu aperta al culto nel 1731.

La facciata è semplice ma di solenne imponenza: lesene d'ordine gigante sostengono il timpano ad arco ribassato, che include un timpano triangolare; l'unico portale è sovrastato da un grande finestrone. L'interno è costituito da un'aula ellissoidale sviluppata nel senso della longitudine, con otto colonne dai ricchi capitelli compositi addossate alle pareti, che sostengono l'alta trabeazione su cui s'imposta la grandiosa cupola. Dall'aula si protende il lungo presbiterio con il coro e due ampi bracci laterali, ciascuno dei quali presenta tre cappelle. Sempre nell'aula, entro gli spazi parietali fra le colonne si aprono nicchie con le imponenti statue in stucco degli Evangelisti, opera del celebre bolognese Giuseppe Mazza; al di sopra, Episodi della vita di San Domenico dipinti in monocromo da Antonio Consetti, pittore ducale, verso la metà del Settecento.

Le cappelle possiedono importanti tele raffiguranti santi domenicani, in prevalenza databili verso la metà del Settecento. Si segnalano nel braccio di destra, nella cappella a destra, il Martirio di San Pietro da Verona del bolognese Francesco Monti e, di fronte, San Tommaso d'Aquino e il Crocefisso del veronese Gian Bettino Cignaroli; nella cappella di fondo, lo scenografico apparato della Madonna del Rosario, progettato e dipinto da Antonio Consetti, con angeli in stucco di Pietro Battaglioli, scultore al servizio della corte ducale. Nel braccio di sinistra, nella cappella a sinistra i Miracoli di San Vincenzo Ferreri di Giacomo Zoboli, pittore spilambertese di vasta fama in Roma, e di fronte San Pio V di Francesco Vellani, fra i protagonisti dell'arte del Settecento estense. Sul fondo del presbiterio, Re David di Ignazio Stern.

In una piccola cappella a sinistra dell'ingresso, è allestito il gruppo statuario in terracotta Gesù in casa di Marta, suggestivo capolavoro di Antonio Begarelli, il celebre plastico modenese attivo nel pieno Cinquecento, tra i divulgatori della lezione di Raffaello in area emiliana.