La chiesa ha la forma di croce latina, con presbiterio absidato e sei cappelle laterali, tre a sinistra e tre a destra. La chiesa è molto nota per le quadrature di Andrea Pozzo (1685). Quando si osserva in alto, stando in piedi nel punto marcato a terra da un disco dorato posto nel pavimento della navata, si può ammirare la simulazione prospettica di un secondo tempio, sovrapposto al primo, quello reale della chiesa; quest'architettura simulata, in prospettiva "da sott'in su", è articolata su due ordini, uno inferiore e uno superiore, e con un sinuoso movimento di colonne, archi e trabeazioni, si protende verso l'alto dove, in una luce aurea, è raffigurata la Gloria di sant'Ignazio, con Cristo che manifesta lo stendardo della croce. Dal costato del Cristo s'irradia un fascio di luce che illumina Ignazio, dal quale a sua volta, si diparte verso quattro figure allegoriche intorno a lui che rappresentano i quattro continenti allora conosciuti.

Nell'abside sono rappresentate le scene dalla vita di Sant'Ignazio, come ad esempio, la difesa di Pamplona, in cui Ignazio fu ferito. Nella calotta dell'abside Andrea Pozzo mise in opera un altro dei suoi virtuosismi prospettici: riuscì infatti a rappresentare un'architettura fittizia con quattro colonne dritte in una superficie concava.

Da segnalare sono anche diverse altre opere d'arte: nella controfacciata le due statue in stucco raffiguranti la Religione e la Magnificenza di Alessandro Algardi, nella seconda cappella a destra (cappella Sacripante), disegnata da Nicola Michetti, la solenne pala con il Transito di San Giuseppe di Francesco Trevisani, l'altare del transetto destro, di Andrea Pozzo, con il rilievo del San Luigi Gonzaga di Pierre Legros (a cui corrisponde, nel transetto sinistro, quello dell'Annunziata, di Filippo Valle). Ai lati del presbiterio, sulla destra, vi è la cappella Ludovisi con il monumento sepolcrale di papa Gregorio XV di Pierre Legros e quattro statue in stucco con le Virtù, di Camillo Rusconi; nel corrispondente spazio di sinistra, che dà accesso alla sacrestia, è invece collocata la colossale statua in gesso di Sant'Ignazio, sempre opera del Rusconi e modello di quella eseguita in marmo per la basilica vaticana.