Костьол збудовано на замовлення і коштом київської польської католицької громади. 1898 року за сприяння Петербурзького товариства архітекторів оголосили всеросійський конкурс на проект храму, на який подали 30 робіт. Однією з найкращих визнали проект студента Інституту цивільних інженерів С. Воловського у формах середньовічної французької готики. Згодом проектування на основі цього й інших конкурсних матеріалів доручили архітектору В. Городецькому: він зберіг ідею Воловського, але новий проект істотно відрізнявся від конкурсного. Складні конструкції фундаментів проектував гірничий інженер А. Страус; в експертизі брали участь архітектори О. Кобелєв і В. Ніколаєв. У робочому проекті Городецький передбачив нові матеріали й конструкції: штучний граніт, каменеподібний тиньк, керамічні облицювальні плитки, залізобетонні та металеві конструкції.
Будівельні роботи велися з перервами (закладено 8 серпня 1899, освячено 6 грудня 1909) і не були завершені остаточно: не закінчили облицювання дворових фасадів і не влаштували опалення. Разом з місцевими будівельниками працювали фахівці з Варшави. Частину матеріалів привезли з-за кордону: кахлі з Німеччини, черепицю з Франції; вітражі виготовляли в Ризі. Скульптурні роботи, здебільшого за рисунками В. Городецького, виконував скульптор Е. Сала; статую архангела Михаїла створив чеський скульптор Бенеш.
Під час оборони Києва (1941) та його визволення (1943) споруда дуже постраждала від артилерійських обстрілів і пожежі: напівзруйновано дахи, пошкоджено фасади, значно втрачено інтер’єри, повністю втрачено вітражі, підлогу й орган. 1946 року провели невідкладні консерваційні роботи, а приміщення костьолу передали Державному архіву Київської області; тоді всередині встановили тимчасові багатоярусні дерев’яні конструкції. 1957 року майстерня під керівництвом арх. Є. Лопушинської виконала першочергові ремонтно-реставраційні роботи на фасадах. У січні 1979 року ухвалили рішення про використання пам’ятки під залу органної та камерної музики, проект реставрації виконала група фахівців Українського спеціального науково-реставраційного виробничого управління (В. Безякін, В. Бобиніна, П. Болюк, О. Граужис, Л. Крощенко, В. Маркіз, Є. Осадчий, Б. Пасхар); інженерне обладнання, допоміжні приміщення й благоустрій розробляли архітектори І. Тукалевський і Л. Рибак. Республіканський будинок органної та камерної музики відкрився в липні 1979 року, а реставрація й реконструкція тривали 1979–1981.
Композиція костьолу вирішена у формах середньовічної готики і є проявом стилізаторства в архітектурі другої половини XIX — початку XX століття. У ній відчутні ремінісценції північноєвропейської ранньої готики; до німецьких традицій належать шатрове завершення бічних веж і розвинений трикутний фронтон між ними, а поєднання цегли й каменю імітують клінкерна плитка та бетон. Класична тринавна базиліка трактована оригінально; завдяки залізобетону не знадобилися готичні контрфорси й аркбутани, що спростило бічні фасади. Композиція вздовж головної осі складається з бічних веж західного фасаду з нартексом між ними, зальної частини з підвищеною центральною навою і трансепта з п’ятигранною апсидою. На перетині трансепта й нави здіймається вежа-ліхтар із тонким шпилем. Західний фасад стоїть на підмурку з рустом, змодельованим у бетоні; високі квадратні вежі завершують шатра-шпилі, їх об’єднує стіна зі ступінчастим фронтоном, а в центрі — готична «троянда»-розетка. Три входи оформлено як глибокі портали з вімпергами; центральний прикрашають статуї Богоматері з немовлям та святих Петра й Миколая. У тимпані фронтону — рельєф Розп’яття, на вершині — статуя архангела Михаїла з мечем над змієм. З восьми зображень пророків на вежах збереглося лише чотири.
У нартексі — хрещате склепіння, вітражі й мармурова підлога-шахівниця; зала розділена десятьма рожевими стовпами на три нави й трансепт. В апсиді під ультрамариновим склепінням зі золотими зорями стоїть орган, створений 1979 року чеською фірмою з Крнова: 3945 труб, 55 регістрів, три мануальні клавіатури й педальна. Звід називає костьол одним з найдосконаліших творів В. Городецького. Нині тут Національний будинок органної та камерної музики України та Римсько-католицька парафія св. Миколая Житомирської дієцезії.