L'odierna chiesa barocca fu costruita da Martino Longhi il Giovane tra il 1644 e il 1650 per il cardinale Giulio Mazzarino, il quale volle sulla facciata non solo il suo busto, ma anche quello di Ortensia Mancini, sua nipote, "protetta" di diversi regnanti europei dell'epoca. È l'unico caso in Roma della presenza di una laica nella facciata di una chiesa. Inoltre, sulla sommità della facciata, lo stemma del Cardinale committente è sostenuto da due fanciulle a petto nudo. E questo è ancor più raro per una chiesa a Roma.

La facciata, su due ordini, è tra le più caratteristiche della Roma barocca per la forte concentrazione di colonne ed edicole verso la parte mediana del prospetto, al fine di sottolineare l'asse centrale del tempio secondo i canoni scaturiti dopo la Controriforma.

L'interno si presenta ad una sola navata, con tre cappelle per lato. All'altare maggiore un dipinto di Francesco Pascucci con il Martirio dei santi Vincenzo e Anastasio.

Nella chiesa fu sepolto imbalsamato il grafico e incisore trasteverino Bartolomeo Pinelli (1835), ma senza monumento e lapide riconoscitiva, cosicché ancora oggi non è possibile ritrovare tracce della sua sepoltura. L'Istituto nazionale di studi romani pose nella chiesa una lapide, per memoria, nel 1933.