La chiesa ebbe un primo progetto disegnato nel 1652 da Girolamo Rainaldi (1570-1655) in stile barocco. Il committente fu Innocenzo X Pamphili, il cui monumento funebre si trova all'interno della chiesa. La famiglia aveva ampi possedimenti nella piazza e la chiesa doveva essere una specie di cappella privata annessa al palazzo di famiglia che si trova accanto.

Negli anni 1653-1657 i lavori proseguirono sotto la direzione di Francesco Borromini. Borromini cambiò in parte il progetto originale; tra le altre cose aumentò la distanza tra le due torri integrate nel prospetto ed ideò l'impostazione della facciata concava per dare più risalto alla cupola. Nel 1672 la costruzione fu completata da Carlo Rainaldi (1611-1691), il figlio dell'architetto che aveva cominciato i lavori.

All'interno la chiesa presenta una pianta a croce greca; i quattro corti bracci della navata, dell'abside e dei transetti, riccamente decorati con stucchi dorati nelle volte si incontrano nell'ottagono centrale, in cui si trovano quattro altari dedicati a Sant'Alessio, Santa Ermenziana, Sant'Eustachio e Santa Cecilia, con pale marmoree e statue rispettivamente di Giovanni Francesco Rossi, Leonardo Reti, Melchiorre Cafà e Antonio Raggi. Le colonne che li riquadrano sono in marmo rosso di Cottanello.

I pennacchi della cupola, dipinti fra il 1667 e il 1671 da Giovan Battista Gaulli detto il Baciccio, sono dedicati alle quattro virtù cardinali; l'affresco della cupola, invece, opera di Ciro Ferri e di Sebastiano Corbellini che lo portò a termine, raffigura Sant'Agnese introdotta alla Gloria del Paradiso. Un altro dipinto importante si trova sulla volta della sagrestia e raffigura la Gloria di Sant'Agnese ed è opera di Paolo Gismondi.

Il sotterraneo, ricavato da un antico oratorio medievale, ospita sull'altare Il miracolo dei capelli di Sant'Agnese, rilievo marmoreo di Alessandro Algardi.