Progettata da Gian Lorenzo Bernini su commissione di papa Alessandro VII, deve la propria importanza al vicino complesso delle Ville Pontificie di Castel Gandolfo. I lavori iniziarono nel 1658 e si protrassero per tre anni, fino al 1661 quando, terminata la decorazione interna in stucco ad opera di Antonio Raggi, la chiesa venne consacrata.
L'interno della chiesa presenta una pianta a croce greca, con i bracci, coperti con volta a botte, che presentano una larghezza pari al doppio della loro lunghezza (schema già presente in Santa Maria delle Carceri di Prato). La crociera è coperta da una cupola con tamburo e lanterna, decorata con otto tondi in stucco rappresentanti Scene della vita di San Tommaso di Villanova; nei pennacchi, invece, vi sono i Quattro Evangelisti. In ognuno dei due bracci del transetto, si trova un altare in marmo; quello di sinistra, dedicato alla Madonna, ospita la pala Assunzione di Maria, mentre quello di destra è dedicato a San Tommaso di Villanova. Nell'abside, vi è l'altare maggiore, con all'interno dell'ancona la pala Crocifissione di Pietro da Cortona.
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