Budowę kościoła według projektu Giovanniego de Rossi, prowadził Giuseppe Brizio, następnie zmodyfikował Giovanni Maria Bernardoni. Ostateczny kształt nadał świątyni Giovanni Trevano, autor fasady, kopuły i wystroju wnętrz, wzorujący się na wczesnobarokowych, jezuickich kościołach rzymskich.

Kościół miał burzliwe losy. Po kasacie zakonu jezuitów w 1773 roku, Komisja Edukacji Narodowej przekazała kościół Uniwersytetowi Krakowskiemu, a w 1786 roku ojcom cystersom z Mogiły. W latach 1809–1815 był cerkwią prawosławną, następnie w 1830 roku wrócił do parafii rzymskokatolickiej. W latach 1899–1916 kopułę z latarnią, fasadę, dachy, wnętrza i schody remontował Zygmunt Hendel.

Świątynię wzniesiono na planie krzyża łacińskiego. Kościół jest szeroki, jednonawowy z bocznymi kaplicami i transeptem z potężną kopułą oraz krótkim prezbiterium zamkniętym półkolistą apsydą. W niszach dwukondygnacyjnej, dolomitowej fasady stoją posągi świętych jezuickich, dłuta Dawida Heela. Nad portalem widać godło jezuitów i herb fundatora, króla Zygmunta III Wazy.

Bogata dekoracja wnętrza obrazuje działalność misyjną jezuitów. W późnobarokowym ołtarzu głównym, projektu Kacpra Bażanki z 1735 roku, umieszczono rzeźby Antoniego Frączkiewicza i obraz Józefa Brodowskiego z 1820 roku. Uwagę zwracają: nagrobek biskupa Andrzeja Trzebickiego z XVII wieku, obraz Wszystkich Świętych pędzla Szymona Czechowicza z 1763 roku, wczesnobarokowa ambona, posąg Piotra Skargi z 1869 roku dzieło Oskara Sosnowskiego, chrzcielnica z 1528 roku, obraz świętego Stanisława Kostki z początku XVII wieku, pomnik Bartschów z 1827 roku i epitafium Branickich projektu Kacpra Bażanki z 1727 roku. W kościele zawieszone jest najdłuższe w Polsce wahadło Foucaulta (46,5 metrów), którego działanie demonstrowane w czwartki jest jednym z dowodów na obrotowy ruch Ziemi wokół własnej osi.

Od 2010 roku w kościelnej krypcie powstaje Panteon Narodowy. To nowe miejsce spoczynku wybitnych polskich twórców kultury, nauki i sztuki, miejsce narodowej pamięci i dumy, pełniące też funkcję muzealno-edukacyjną. Pochowani są tu między innymi pisarz Sławomir Mrożek i ksiądz Piotr Skarga, teolog i pisarz.

Na ogrodzeniu placu przed kościołem umieszczono rzeźby 12 apostołów projektu Kacpra Bażanki, dzieła Dawida Heela z 1722 roku. Dziś są to kopie zniszczonych oryginałów wykonane z wapienia pińczowskiego.

Odpust ku czci świętych Apostołów Piotra i Pawła odbywa się dnia 29 czerwca.