La facciata principale della chiesa è su largo dei Girolamini, lungo via dei Tribunali. Il prospetto su largo Girolamini è impaginato su due ordini delimitati da una trabeazione: nel registro inferiore, articolato per mezzo di lesene scanalate, si aprono tre portali, di cui quello centrale è il maggiore; il gruppo scultoreo sovrastante il portale centrale, opera di Giuseppe Sanmartino, raffigura Mosè ed Aronne con le tavole dei comandamenti in ebraico sorrette da angeli. La parte superiore della facciata è alleggerita mediante un finestrone rettangolare sormontato da un timpano triangolare, oltre il quale svetta un coronamento costituito da un timpano arcuato e spezzato, al centro del quale si innalza un setto decorato con l'immagine della Madonna col Bambino, detta "della Vallicella", sempre opera del Sanmartino.
L'interno presenta una pianta a croce latina suddivisa in tre navate per mezzo di dodici colonne di granito dell'Isola del Giglio. Con i suoi 68 metri di lunghezza e i 28 metri di larghezza è tra i più vasti edifici di culto napoletani. Sulla controfacciata c'è un affresco di Luca Giordano raffigurante la Cacciata dei mercanti dal tempio del 1684; ai lati, sulle porte di accesso ai campanili, ci sono gli affreschi datati 1736 di Ludovico Mazzanti che rappresentano La cacciata di Eliodoro e La punizione di Ozia.
Il soffitto a cassettoni, gravemente danneggiato dai bombardamenti del 1943 venne decorato nel 1627 dai napoletani Marcantonio Ferrara, Nicola Montella e da Giovanni Iacopo De Simone con La Gloria di San Filippo e La Madonna della Vallicella. La navata è affrescata lungo le arcate con immagini di santi, eseguiti nel 1681 da Giovan Battista Beinaschi.
La cupola conserva frammenti di un ciclo di affreschi facenti parte della ricostruzione del 1845, eseguiti da Camillo Guerra con scene del Paradiso. Di Ludovico Mazzanti si sono invece conservati nei peducci una serie di Evangelisti, affrescati nel 1735-40, mentre le arcate del transetto vedono gli affreschi su Abramo, Melchisedech, Mosè e Davide databili 1727-30 di Francesco Solimena.
La tribuna è invece caratterizzata da un'opera attribuita a Luca Cambiaso su Angeli che portano i simboli della Passione, da un dipinto sul Compianto sul Cristo morto del 1603 di Giovanni Bernardo Azzolino, da un frammento di un dipinto su Angeli che portano i simboli della Passione del 1680 circa di Luca Giordano e da una Flagellazione databile 1605-1610 di ignoto autore.
Le cappelle laterali sono undici, sei al lato sinistro e cinque a destra, tutte decorate quasi omogeneamente, da artisti quali; Mathias Stomer, Gaetano Gandolfi, Giovanni Maria Morandi, Guido Reni, Luca Giordano, Paolo De Matteis, Francesco De Mura, Fabrizio Santafede, Giovan Battista Salvi, Federico Zuccari e altri.
