La facciata è in stile barocco con numerose decorazioni in marmo e con affaccio diretto sul Canal Grande. Realizzata secondo il disegno del 1709 di Domenico Rossi, ha la forma di un tempio, con un imponente frontone triangolare, sostenuto da colonne che poggiano su alti piedistalli. Tipicamente barocca è la ghimberga a timpano spezzato sul portale d'ingresso. Le sculture sono opera dei principali artisti dell'epoca, tra i quali Antonio Tarsia, Giuseppe Torretto, Francesco Cabianca, Pietro Baratta e Antonio Corradini, quest'ultimo autore di almeno tre delle statue principali, la Fede, la Speranza e il Redentore.
Il progetto dell'interno, la cui realizzazione iniziò nel 1678, è opera dell'architetto Giovanni Grassi. La struttura è a navata unica con soffitto a volta e tre cappelle per ciascun lato; vi sono conservate alcune opere dei più celebri artisti veneziani barocchi di inizio Settecento.
Particolarmente ricco di opere è il presbiterio. Il soffitto è decorato da due lavori di Sebastiano Ricci, Le virtù e due confratelli donatori, realizzato nel 1708 su commissione dei Confratelli della Scuola del Sacramento, all'epoca ubicata nei pressi della chiesa, e Il Sacro calice sostenuto dagli angeli. Sulla parete di destra si trovano il Martirio di San Bartolomeo di Giambattista Tiepolo; San Paolo portato in cielo di Gregorio Lazzarini, e la Crocifissione di Sant'Andrea di Giovanni Antonio Pellegrini.
Nella parte centrale, oltre all'altare maggiore monumentale, sono presenti La caduta della manna di Giuseppe Angeli, San Filippo percosso da un soldato di Pietro Uberti e San Giacomo minore riceve il pane eucaristico di Niccolò Bambini. Sulla parete di sinistra, San Giacomo legato da un manigoldo di Giovanni Battista Piazzetta, San Pietro liberato dal carcere di Sebastiano Ricci, il Martirio di San Giovanni Evangelista di Antonio Balestra, il Sacrificio di Melchidesech di Giuseppe Angeli, San Marco Evangelista di Silvestro Manaigo, San Simeone di Giovanni Battista Pittoni e San Taddeo di Giambattista Mariotti.
Nella sacrestia sono conservate opere di Giovanni Battista Pittoni (Traiano comanda a Sant'Eustachio di adorare gli idoli), Pietro della Vecchia (Cristo morto) e Giustino Menescardi (Traiano comanda a Sant'Eustachio di combattere).
