Sorse a partire dal 1607, sul luogo dell'antica parrocchiale di San Bartolomeo che era stata ceduta alla Compagnia di Gesù, con il sostegno politico ed economico del duca Cesare d'Este e del cardinale Alessandro suo fratello.

Il progetto spetta a un architetto gesuita, Giorgio Soldati da Lugano, che elaborò una pianta a croce latina con transetto poco sporgente, tendente alla centralità, secondo una concezione unitaria dello spazio funzionale alla predicazione. Sulla crociera, una grande tela circolare reca dipinto l'invaso di una cupola: è un ingannevole effetto delle quadrature, le prospettive architettoniche dipinte alla fine del Seicento dal gesuita Giuseppe Barbieri - allievo di Andrea del Pozzo, autore della decorazione della chiesa romana di Sant'Ignazio - che affresca anche la volta della navata centrale. Un disco nero sul pavimento all'inizio della navata centrale segnala il punto preciso da cui godere della migliore veduta prospettica.

Affreschi e dipinti seicenteschi svolgono un programma iconografico che celebra i santi gesuiti come ideali prosecutori della missione degli Apostoli e degli antichi martiri. Così, sopra al presbiterio è affrescata la Gloria di San Bartolomeo, l'"Apostolo delle Indie" titolare del tempio, e nella controfacciata la lunga tela del bolognese Girolamo Negri ritrae il suo Martirio, mentre la volta del transetto sinistro illustra l'Apoteosi di Sant'Ignazio di Loyola, fondatore dell'Ordine, e quella del transetto destro l'Apoteosi di San Francesco Saverio, il gesuita missionario delle Indie Orientali.

I coretti delle navate  recano tele con Storie di Sant'Ignazio a sinistra, e di San Francesco Saverio a destra, dipinte da Ludovico Lana e da Giuseppe Romani; queste tele formano due percorsi paralleli che conducono alle cappelle a fianco di quella maggiore, dedicate ai due santi: quella di sinistra con la Gloria di Sant'Ignazio di Giacinto Brandi, l'altra con San Francesco Saverio che predica agli Indiani di Francesco Cairo. L'apparato pittorico è di straordinaria ricchezza; si segnalano, a destra dell'altar maggiore, il Martirio di Sant'Orsola del veneziano Sante Peranda del 1612, già nella cappella eretta da Cesare d'Este, e l'Annunciazione del toscano Jacopo Ligozzi, del 1612, sul quarto altare di sinistra, di patronato dei marchesi Bentivoglio. Anche l'apparato plastico contribuisce alla trionfante sontuosità barocca; fulcro visivo è lo splendido tabernacolo sull'altar maggiore, eseguito in preziosi marmi da Giovan Battista Bassoli nel 1620, nella simbolica forma del "tempio nel tempio".