La facciata, ispirata alla chiesa di Santa Maria Novella di Firenze, è stata progettata da Leon Battista Alberti e costruita nel 1483 da Jacopo da Pietrasanta utilizzando il travertino proveniente dal Colosseo. Le due volute laterali sono state aggiunte dal Vanvitelli, che tra il 1746 e il 1750 eresse anche il nuovo convento e il chiostro.

L'interno della basilica è a tre navate, suddivise da pilastri, con dieci cappelle laterali, transetto e abside, affiancata da altre quattro cappelle.

È una delle prime chiese romane costruite nel Rinascimento ed ospita la Madonna di Loreto, detta anche Madonna del Pellegrini, uno dei più noti capolavori del Caravaggio che donò l'opera alla chiesa come ringraziamento per l'asilo concesso. Il pittore infatti vi si rifugiò per fuggire all'arresto dopo aver ferito a piazza Navona un aiuto notaio, accusato dall'artista di aver rivolto alla sua amante, troppe attenzioni. La stessa donna, Lena, risulterebbe ritratta nell'opera esposta.

Oltre a questa celebre tela, la chiesa ospita un lavoro del Guercino con i Santi Agostino, Giovanni Battista e Paolo l'Eremita, il famoso affresco del Profeta Isaia di Raffaello, la statua della Madonna col Bambino di Andrea Sansovino e, in controfacciata, quella della Madonna del parto di Jacopo Sansovino che, secondo la tradizione popolare, sarebbe miracolosa. Tale statua, secondo una leggenda, sarebbe stata realizzata adattando un'antica effigie di Agrippina che teneva fra le braccia il piccolo Nerone. Tale opera è oggetto di un irriverente sonetto di Gioacchino Belli che commenta l'eccessiva mostra di gioielli sulla statua della Madonna. La fioriera davanti alla statua della madonna è di Pio Cellini, fratello minore di Giuseppe. Il tabernacolo marmoreo dell'altare maggiore in stile tipicamente barocco, fu invece disegnato da Orazio Torriani.

La chiesa ospita la tomba di Santa Monica, madre di Sant'Agostino, e vi sono sepolti anche il poeta umanista Maffeo Vegio da Lodi, la penultima figlia di Lorenzo il Magnifico Contessina de' Medici, il cardinale Girolamo Verallo ed il cardinale ed umanista agostiniano Egidio da Viterbo.

In passato la basilica era nota per ammettere al proprio interno, unica chiesa di Roma, anche le cortigiane a cui erano riservati i primissimi banchi, per metterle al riparo dalla vista del popolino e evitare quindi distrazioni tra i fedeli. Nella chiesa e infatti vi si trovano le tombe di alcune di esse, come Fiammetta Michaelis, l'amante di Cesare Borgia la cui casa è ancora esistente nelle vicinanze, in piazza Fiammetta, o come Giulia Campana con le sue figlie, Penelope e la famosa Tullia d'Aragona.