La chiesa fu costruita per i padri carmelitani su iniziativa della Madama Reale Cristina di Francia nel 1642, nell'ambito del nuovo ampliamento della città; sembra infatti che nel cantiere venissero utilizzate le pietre dell'adiacente Porta Marmorea, una delle quattro porte di epoca romana. Il progetto viene tradizionalmente attribuito ad Andrea Costaguta, anch'egli carmelitano, molto legato alla casa regnante sabauda, che portò la fabbrica quasi a completamento, sostituito dal confratello Alessandro Valperga.

Agli inizi del XVIII secolo il cantiere passò a Filippo Juvarra che ne completò la struttura e gran parte delle decorazioni. La facciata, chiaramente ispirata a quella della chiesa di Santa Cristina nella vicina Piazza San Carlo dello stesso Juvarra, verrà costruita su progetto di Carlo Filippo Aliberti, allievo di Benedetto Alfieri, nel 1764.

All'interno, delle numerose opere che ornano l'edificio spiccano la cappella di Sant'Erasmo, che custodisce le ceneri di Cristina di Francia, e lo splendido Crocefisso di Stefano Maria Clemente, nei transetti le preziose cappelle juvarriane ornate da dipinti del Conca e del Martinez e lo splendido altare centrale, sempre opera dell'architetto messinese.

Tra le altre opere rilevanti vanno segnalate le tele e gli affreschi di Corrado Giaquinto (Cappella di San Giuseppe), gli affreschi di Rodolfo Morgari, Apparizione dell'angelo a s. Giuseppe, sulla volta della cappella della Sacra Famiglia, La Morte di Santa Teresa e L'apparizione di Gesù a Santa Teresa, nel catino absidale, e le sculture del Tantardini (Prima cappella: Tomba di Madama Cristina e busto del medico di corte Ambrogio Fassetto). La cupola, priva di tamburo, è affrescata dal Luigi Vacca (1820). Lo scultore Giuseppe Sala di Lugano il 1º aprile 1677, su progetto di Amedeo di Castellamonte, costruì l'altare del Crocifisso.