L’architettura esterna e quella interna della chiesa non conservano nulla della prima edificazione trecentesca, periodo nel quale l’ordine carmelitano s’insediò in città: l’edificio venne quasi totalmente ricostruito a partire dal 1720, ad opera dell’architetto Domenico Trifogli. Il coro e l’altare maggiore settecenteschi, intagliati in legno dall’imolese Fausto Zamboni, meritano da soli una visita, così come il refettorio, dove si trovano cinque tempere con storie dei padri carmelitani dipinte tra 1790 e 1792 da Alessandro Dalla Nave e Angelo Gottarelli secondo il gusto decorativo e naturalistico del tardo settecento imolese.

L’edificio è anche sede di una collezione di marionette e burattini, donata da Pier Ferdinando Mondini, insieme ad alcuni teatrini italiani e stranieri del XIX e XX secolo.