La chiesa, con i suoi 1300 mq di superficie interna è una delle più capienti della città. Fu eretta tra il 1867, anno della posa della prima pietra, e il 3 aprile, anno della benedizione e dell’apertura al culto, per rimpiazzare la vicina chiesetta della Sacra Famiglia del tutto insufficiente.
Il grandioso progetto su pianta a croce latina e superba forma classica rinascimentale, ispirata ai migliori modelli del '500, fu opera del cav. ing. Simonetta di Rivoli, in scala ridotta da 100 a 75 rispetto a S. Andrea della Valle nei pressi di piazza Venezia in Roma. La decorazione attuale del teologo artista Barberis risale al 1923.
Il restauro completo è avvenuto dal 1998 al 2002.
La facciata neogoticheggiante, opera dell'ing. Enrico Ruffoni, fu inaugurata dal cardinal Richelmy nel 1906. Purtroppo la mancanza di fondi costrinse a ricorrere a materiali non sempre adeguati all'ambizioso progetto. La povertà delle soluzioni nei materiali usati e l'impossibilità di provvedere ad adeguati e tempestivi interventi di manutenzione, condussero in passato a uno stato di grave degrado. Fortunatamente, grazie all’impegno e alla generosità di molti, le grandi opere di ristrutturazione eseguite negli ultimi anni hanno restituito alla chiesa l’antico splendore.
L'interno della chiesa ospita un superbo e austero altarmaggiore in marmo bianco di Carrara.
Otto altari laterali adornano altrettante cappelle lungo le navate laterali. Essi rappresentano, con i dipinti e le tele che li adornano, un irrepetibile esempio di eclettismo di buon gusto. Sono doni provenienti da molteplici chiese antiche e costituiscono, nella varietà, un’eccellente armonia.
La chiesa ebbe una prima decorazione nel 1874. Di essa non rimane traccia nei documenti se non che fu ritenuta di scarso pregio perché affidata all'artista Adolfo Barberis che si sbizzarrì in un ambizioso progetto (quasi nulla si conservò nella decorazione ab imis del 1923). Riguardo all’attuale decorazione, uno studio degli anni '50 recita:
Lo stile della decorazione è unico in Torino e merita speciale menzione ed attenzione per l’innovazione che porta nell’arte decorativa religiosa. L'artista ha voluto svolgere con la pittura il tema dell'Immacolata Concezione di Maria, a cui la chiesa è dedicata. È, si può dire, una tesi dipinta. Come la Chiesa fa parlare i suoi riti, qui tutta la decorazione fa un discorso ordinato e chiaro sul titolo della Chiesa.
Nella volta principale, in un grande medaglione ellittico, è raffigurata la lotta dello spirito del male contro l'innocenza e il trionfo della virtù sul vizio.
Attorno, tra i grandi finestroni, sono rappresentati in sequenza i simboli dei vizi che conducono alla corruzione e quelli delle virtù che corroborano la castità.
Nella lanterna della cupola che sovrasta il transetto, costituita da una vetrata a trompe l'oeil, è raffigurata la Madre di Dio, Madonna Regina con il Bambino Pantocrator con il mondo sormontato dalla croce e attorno una corona di otto angeli che esprimono esultanza.
Sulla cupola fanno corona personaggi antichi e moderni che interpretano il versetto: “Tutte le generazioni mi chiameranno beata.”
Sulle volte laterali del transetto campeggiano le figure di Ester e di Giuditta che celebrano la fortezza e la mediazione, virtù eminenti di Maria.
In alto, sulla parete emiciclica dell'abside in una nicchia cinquecentesca, domina una grande statua dell'Immacolata che tiene in braccio un fascio di gigli e ne offre uno ai fedeli (opera del Caccia di Milano).
Il presbiterio corona tutto il progetto pittorico, facendo dell'Eucaristia la sorgente a cui tutti, buoni e cattivi, simboleggiati da soggetti tratti dai bestiari, attingono, ma con esiti ben diversi.
Tutta la decorazione è abbracciata da una fascia perimetrale, di 150 m., sotto il cornicione che riporta per intero il testo del Magnificat.
Navate e transetto sono arricchiti da 32 capitelli corinzi fogliati in stucco dorato.
A lato dei capitelli, 32 medaglioni raffigurano papi, martiri e santi. Di notevole effetto è il grande rosone ad emiciclo, con vetri decorati.