La Congregazione dei Padri Oratoriani commissionò la costruzione della chiesa all'architetto Giovanni Battista Cavagna che iniziò i lavori nel 1610, ma morì prima di vedere l'edificio terminato. Per questo subentrarono ad esso numerosi architetti come Giovanni Maria Pazzaglia, Giovanni Branca e Girolamo Caccia. La chiesa è caratterizzata da una pianta a croce latina, a navata unica con una volta a botte. Le pareti sono ripartite da alte paraste ioniche strigilate con capitelli festonati. Le paraste ioniche suddividono sui fianchi le aperture ad arco di sei cappelle laterali internate ed inoltre ripartiscono le pareti dell'ampio transetto. Quest'ultimo presenta due cantorie cotrapposte ed è coronato da una fastosa cupola con un luminoso e alto tamburo finestrato.
L'interno è articolato in sei cappelle laterali ed è ricco di ori, stucchi, marmi, pitture, legni. La decorazione tutta giocata sul luminoso accostamento di bianco e oro, scandisce le pareti della navata. Nella parte alta si trovano due affreschi di Antonio Viviani separati da una finestra che illumina l'intera navata. Gli affreschi sono intitolati: Quo vadis, quello di sinistra e Lo sbarco di San Paolo a Malta, quello di destra. A decorare l'intera volta della chiesa di San Pietro in Valle, furono Pietro Solari e Antonio Viviani detto il Sordo. Solari si occupò della stuccatura completa della volta, che si dice riuscì a portare a termine in otto mesi di lavoro. Viviani fu, invece, l'ideatore degli affreschi che decoravano i quadri della navata centrale, del presbiterio e della controfacciata.
La cupola fu eretta dall'architetto Girolamo Caccia nel 1696 e successivamente decorata da Lauro Buonaguardia, architetto e decoratore originario di Bologna. Le cappelle, poste sui due lati della navata, sono sei (tre per lato) e sono dedicate alle famiglie illustri fanesi che avevano contribuito finanziariamente alla costruzione della chiesa.
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