A szerzőséget korábban Kühnel Pálnak tulajdonították, de Rudnay érsek Packh Jánost bízta meg a templom tervének elkészítésével. Packh a római Pantheon mintájára készítette el tervét azért, hogy alkalma legyen kupolaépítésre, ezzel modellezve a bazilika nagyobb méretű kupoláját a munkálatok megkezdése előtt. Az 1828-ban megkezdett építkezés az érsek halála miatt csak 1837-ben fejeződött be, de még 1831-ben az érseknek volt lehetősége megáldani a nagyjából elkészült templomépület nagykupolájának keresztjét. 

A templom alaprajzának érdekessége, hogy teljesen kör alakú. A hajó fölött magas kupola emelkedik, míg a kupola két oldalán, attól függetlenül két torony áll. A főbejárat előtt széles oszlopcsarnok húzódik, amelyhez márványlépcső vezet és előtte két, egyenként 2,5 méter magas, angyalt ábrázoló kőszobor található.

A márvány főoltár képe Szent Annát, Joachimot és a Gyermek Máriát ábrázolja - Hesz Mihály alkotta 1829-ben. Szűz Mária életét  dombormű örökíti meg, míg három falfestmény Szent Anna életének főbb eseményeit ábrázolja, képenként tizenöt négyzetméteres méretben. 

1900-ban külső renoválást végeztek a műemlék templomon, és ugyanekkor Vaszary hercegprímás költségén Stornó Ferenc művészien a belső teret újította fel. Az 1980-as években a fő és mellékkápolna vörösrézfedést kapott, az ácsszerkezet megvastagításával egy időben. A munkálatok után, 1902-ben Kohl Medárd püspök szentelte fel és1937-ben az egyházi főhatóság a belvárosi plébániából diszmembrálva alakította ki a mai Szent Anna plébániát. 
2005-ben újították fel a templom előtt álló szobrokat. A plébániát 2008-ban elbontották, és újat építettek. Ezt Erdő Péter bíboros, prímás december 20-án szentelte fel.