La facciata della chiesa è opera dell'architetto Giuseppe Sardi da Morcote, capolavoro del barocco. Essa è costituita da una serie di nicchie con statue e bassorilievi intervallate da colonne ioniche e corinzie. La statua nella nicchia centrale del secondo ordine, raffigurante Antonio Barbaro sul sarcofago, è stata attribuita allo scultore fiammingo Giusto Le Court mentre le quattro statue dei suoi fratelli sono attribuite al suo allievo il tedesco Enrico Merengo. Le numerose Vittorie nei pennacchi e gli Atlanti sono attribuiti a Tommaso Rues.

Guardando l'entrata della chiesa, si trovano sei mappe stilizzate in pietra, rappresentanti le località dove Antonio Barbaro svolse le sue attività principali a favore della Repubblica di Venezia: Candia, Corfù, Padova, Roma, Spalato, Zara.

L'interno della chiesa è a navata unica con tre corte cappelle laterali per lato. La cappella maggiore nel'abside è anch'essa a pianta quadrangolare ed è coperta da volta a stella. Sull'altare maggiore, ai lati del tabernacolo, vi sono due sculture raffiguranti l'Annunciazione, opera di Enrico Merengo.

Attraverso un corridoio fra la prima e la seconda cappella di destra si accede alla cappella Molin, con a sinistra la tela Madonna col Bambino e san Giovannino, l'unico dipinto di Peter Paul Rubens conservato a Venezia; all'ingresso della cappella vi è San Vincenzo Ferreri di Giambattista Piazzetta e Giuseppe Angeli (1750).

Nella seconda cappella di destra, poi, sull'altare, vi è la statua di San Gregorio Barbarigo opera di Giovanni Maria Morlaiter. La terza cappella di destra ospita la pala con la Visitazione di Jacopo Palma il Giovane. Lungo le pareti della navata si sviluppa la Via Crucis, i cui quattordici quadri furono dipinti nel 1755 da sette artisti diversi, tra cui spiccano i nomi di Francesco Fontebasso e Giambattista Crosato.