I Gesuiti a Venezia identificarono in Domenico Rossi, autore anche della Chiesa di San Stae, l'architetto ideale per realizzare l'opera di cui necessitavano. Non fu un compito semplice per il tecnico visto che doveva seguire schemi rigidi, che per i committenti ricordavano il Concilio di Trento.

La pianta è tipica delle chiese dei Gesuiti, a croce latina, con tre cappelle per parte nel braccio più lungo. Transetto e presbiterio a fondo piatto sono affiancati da due altre cappelle. Le sei cappelle ai lati della navata sono fra loro separate in piccoli ambienti, una volta dedicati alle confessioni. Fra la seconda e la terza cappella, il notevole pulpito di Francesco Bonazza, e lungo tutto il corridoio i "corretti", grate da cui si affacciavano gli ospiti del convento. La navata della chiesa si restringe di fronte l'altare, dedicato alla Santissima Trinità, grazie alla presenza di quattro pilastri che sorreggono la volta a crociera. Del 1725 -1731 è la decorazione a due colori, bianco e verde, dei marmi e dei pavimenti. Il campanile è quasi interamente quello eretto in origine per la chiesa dei Crociferi, mentre l'unica struttura risalente al Settecento è la cella campanaria.

Decorano i soffitti gli affreschi di Ludovico Dorigny, Angeli musicanti in gloria, datato 1720 nel presbiterio, Il trionfo nel nome di Gesù, del 1732, nel soffitto a crociera; di Francesco Fontebasso Abramo che adora i tre angeli, e la Visione di San Giovanni Evangelista, sul soffitto della navata, del 1734. Il presbiterio è circondato da statue di cherubini, angioletti, angeli e arcangeli di Giuseppe Torretti. Di Jacopo Antonio Pozzo, noto anche come Giuseppe Pozzo, è l'altare, che si compone di dieci colonne sormontate da una cupola bianca e verde.

Nella sacrestia sono ospitati ben venti dipinti di Jacopo Palma il Giovane. Fra questi il Martirio di San Giovanni Battista fra San Lanfranco e San Liberio, del 1610, che un tempo era posto nella cappella dell'Arte dei Varoteri (la corporazione dei pellicciai di Venezia). La chiesa inoltre conserva il 'Martirio di San Lorenzo' di Tiziano e molte opere di importanti artisti, tra questi, Jacopo Sansovino, Tintoretto, Alessandro Vittoria, Lanfranco Beccari, Louis Dorigny, Antonio Balestra e altri.