Sa silhouette caractéristique lui a valu la qualification de « pièce-montée » par Léon-Paul Fargue. Notable pour son clocher-beffroi accompagné de deux clochetons d’un style florentin des XVIe et XVIIe siècles, cette église néo-renaissante a été construite entre 1861 et 1867.
À l’intérieur, parmi les décors peints, la fresque La Trinité et les Anges de Félix Barrias se détache. La symbolique du chiffre 3 domine le contrebas de l’église : trois fontaines à triple vasque, sont surmontées de trois statues illustrant les trois vertus théologales.
L’église est aussi célèbre pour son orgue, en particulier l’un de ses anciens organistes, le célèbre compositeur Olivier Messiaen (1908-1992) qui a joué dans l’église pendant plus de trente ans. C’est dans ce haut-lieu de l’histoire de la musique qu’on été célébrées les obsèques d’Hector Berlioz.