È una delle chiese più note della città, almeno per quanto riguarda il suo aspetto esteriore, poiché si staglia evidentemente rispetto agli altri edifici ed è praticamente di fronte a chi esce dalla stazione dei treni, al di là del Canal Grande. Rappresenta uno dei primi edifici pienamente neoclassici in Italia.

L'edificio presenta un'insolita pianta circolare. Palese è il richiamo al Pantheon romano: un corpo cilindrico e stretto con una cupola rivestita in rame ed un pronao corinzio con timpano triangolare dove trova posto un bassorilievo marmoreo Il martirio dei Santi titolari di Francesco Cabianca del XVIII secolo. Da notare che la cupola si presenta come a calotta ovale in altezza che dà al complesso una leggera spinta verticale accentuata dalla lanterna in forma di tempietto. Si avverte pure un richiamo alla tradizione bizantina e al Palladio.

L'interno non ospita grandi capolavori, tuttavia sono da ricordare, al primo altare a destra tela San Francesco di Paola sorretto da un angelo e san Gaetano da Thiene di Antonio Marinetti; al secondo altare i Santi Simeone e Giuda, pala di Mattia Bortoloni del XVIII secolo, attribuita a Francesco Polazzo; al primo altare a sinistra la Sacra famiglia di Tomaso Bugoni e al secondo altare a sinistra un Martirio di Santa Dorotea di Angelo Venturini. Nella sacrestia, sull'altare c'è un Crocifisso marmoreo attribuito a Giovanni Marchiori. Nell'attigua antisacrestia, una costruzione giovanile di Tommaso Temanza, sopra il lavabo, c'è un piccolo rilievo, La probatica piscina del Marchiori, con in basso il ritratto dell'autore.

Sotto la chiesa si trova un interessante sotterraneo affrescato con scene della Via Crucis e dell'Antico Testamento, in cui due lunghi corridoi si incrociano in un ambiente ottagonale, che ha in mezzo un altare. Comprende ventuno cappelle, otto delle quali murate e inesplorate. Esso contiene soprattutto sepolcri di parrocchiani dei quali, però, non è possibile conoscere l'identità.