La chiesa fu eretta tra il 1664 e il 1712. Seguirono i lavori per la costruzione della sacrestia dopo il 1720. La consacrazione è del 1738. Lo schema planimetrico presenta i caratteri propri degli impianti gesuitici. A pianta centrale e aula unica, su un ottagono ampliato a croce nei lati opposti, presenta sei cappelle radiali intercomunicanti, tre per lato (secondo il richiamo al dogma trinitario) voltate a botte, di cui la centrale è più grande e più profonda. Sull'asse principale, varcato l'ingresso, si apre un atrio fiancheggiato da due cappelle, al quale si contrappone la cappella presbiteriale. Questa soluzione planimetrica permette di raggiungere lo scopo di unire la pianta centrale a quella longitudinale, senza fonderle. Le pareti sono scandite da paraste scanalate d'ordine corinzio, ornate da fregio di foglie e figure umane, sormontate da una cornice che percorre l'intero perimetro. La cupola a padiglione poggia su un tamburo ottagonale sul quale si aprono, alternate a ottagoni ciechi, quattro finestre. Coperta con tegole a squame, presenta paraste agli spigoli esterni ed è sormontata da una lanterna. La facciata dell'intero complesso, in tufo argilloso, è composta da tre ordini che nel loro insieme ripropongono uno schema tipico degli altari lignei seicenteschi, che richiama i modi del Barocco ispanico provinciale. Il primo ordine è composto da tre fornici che immettono in un portico voltato a crociera, dal quale si accede al noviziato e alla chiesa, il cui bel portale architravato è sormontato da volute a doppia inflessione con lo stemma della Compagnia di Gesù. I fornici sono inquadrati tra quattro colonne scanalate, su plinti decorati sul fronte e sui lati. La trabeazione, con cornice molto aggettante, sottolinea il secondo ordine, tripartito come il precedente da colonne corinzie scanalate, che suddividono la superficie in tre riquadri nei quali è inserita una finestra con timpano spezzato. In asse si riconoscono tre stemmi: quello centrale della Compagnia, quello di d. del Vescovo Sanna, mentre quello di s. potrebbe invece appartenere al donatore Francesco Angelo Dessì, il cui lascito testamentario permise il completamento della chiesa e la realizzazione del prezioso arredo della sacrestia, oltre che del suo monumento funebre in marmi policromi sul lato s. del presbiterio. Il terzo ordine, sormontato da un timpano triangolare, presenta una nicchia contenente la statua marmorea settecentesca di San Michele Arcangelo Nel 1773 la Compagnia di Gesù venne soppressa. Nel 1822 venne reso pubblico il decreto di ristabilimento dell'Ordine in Sardegna e nel 1835 si riaprì il Noviziato di San Michele. I Gesuiti verranno nuovamente espulsi dalla Sardegna nel 1848 con regio decreto. Da questa data i locali del Noviziato ospiteranno l'Ospedale Militare mentre solo nell'agosto del 1928 la Compagnia di Gesù riuscirà a rientrare nella sua chiesa. I lavori di restauro della chiesa diretti dall'ing. Dionigi Scano a partire dal 1892 vennero completati nel 1893. Altri restauri seguiranno dopo la seconda guerra mondiale.