La chiesa fu eretta a partire dal 1664 su disegno dell'architetto ducale Bartolomeo Avanzini e proseguita, alla sua morte, dal capomastro Giovan Pietro Piazza. Costruzione complessa, protrattasi per numerosi decenni, fu aperta nel 1667, ma il presbiterio e il coro furono approntati nel 1684; infine, la cupola per problemi statici venne ricostruita ormai nel 1770 da Pietro Termanini, protagonista della ristrutturazione edilizia e urbana della Modena settecentesca. 

La facciata settecentesca in cotto, tripartita e con un doppio ordine di lesene, ha profili marmorei nel portale e nei capitelli. Ripropone, in dimensioni ridotte, la chiesa di San Carlo ai Catinari di Roma, ad esclusione della cupola settecentesca; inoltre, la chiesa modenese è più sviluppata in senso longitudinale e maggiore è l'effetto di verticalità della navata centrale. L'interno è a tre navate. Lo spazio destinato all'oratorio congregazionale è ricavato nella navata trasversale enfatizzata dal grande spazio centrale, un tempo fulcro della vita della Congregazione con le grandi tribune sospese sulle navate laterali; quasi "chiesa nella chiesa", con i due altari gemelli dedicati allo Sposalizio e all'Assunzione della Vergine alla cui devozione era votata la stessa Congregazione.

Di straordinario interesse storico-artistico è l'arredo del tempio. Spettacolare, nel barocco più fastoso, è l'apparato in stucco nell'abside, con il Trionfo della Fede realizzato dal plastico modenese Antonio Traeri detto il Cestellino, operoso anche nel Palazzo Ducale, all'anno 1700, su disegno del pittore bolognese Marc'Antonio Franceschini. A quest'ultimo spetta la grande pala così sontuosamente incorniciata, con San Carlo che prega la Madonna col Bambino per la cessazione della peste a Milano. Fra le pale d'altare collocate entro ancone di marmi preziosi, si segnalano: a destra, sul primo altare: La Madonna col Bambino e i Santi Antonio da Padova, Vincenzo e Francesco di Sales, opera di fine '600 di Olivier Dauphin, allievo e nipote di Jean Boulanger; nel secondo altare, già dei conti Sorra, la splendida Assunzione della Vergine di Francesco Stringa, pittore di corte negli ultimi decenni del Seicento; nella cappella a destra dell'altar maggiore, già adibita a coro dei confratelli, due grandi tele con la Natività e l'Epifania di Giuseppe Romani, di inizi '700. A sinistra, sull'ultimo altare verso il presbiterio, San Filippo Neri e Santi di Francesco Vellani, importante maestro del pieno Settecento modenese autore anche dello Sposalizio della Vergine nel successivo altare di mezzo; sul primo altare dopo l'ingresso, Lo Sposalizio mistico di santa Caterina, opera del secondo Ottocento di Adeodato Malatesta.