En una de las arterias más dinámicas de la ciudad, la iglesia de Pompeya contribuye todavía a conservar el carácter señorial que tuvo la zona en el momento de su construcción. Por su emplazamiento privilegiado, es ésta una de las obras más populares de su autor. Como sucede en otras obras religiosas de Sagnier, el conjunto —formado por el templo y el convento anexo de frailes franciscanos (capuchinos)— está resuelto a través de un lenguaje neogótico libremente interpretado: la iglesia, de tres naves separadas por esbeltas columnas, retoma aspectos de la tradición gótica catalana, como la nave central de arcos cubiertos por vigas de madera (solución parecida a la capilla de santa Águeda, en el antiguo palacio de los condes de Barcelona), mientras que la inventiva del arquitecto se hace presente en los capiteles de estilización floral o en las aberturas triangulares. En la fachada de piedra destaca el trabajo escultórico de Josep Llimona: un relieve en la puerta y una imagen de san Francisco de Asís en el gablete superior.

Por su parte, el convento (terminado en 1915) es algo más sobrio, en la tradición franciscana de la humildad, y combina la piedra con el ladrillo. Consta de tres crujías, paralelas a la alineación de las fachadas exteriores; entre ellas y la nave lateral del templo se forma un patio irregular con ornamentación en mosaico. Una de las dependencias más destacadas del convento es la gran biblioteca de tres pisos (los superiores resguardados por una barandilla metálica) y que recibe la iluminación cenital a través de una claraboya.

En 1936, el interior del santuario fue destruido y se perdió el retablo mayor, con pinturas de Joan Llimona y centrado por la imagen de la virgen de Pompeya, obra del hermano de éste, el escultor Josep Llimona (cofundadores ambos, con Sagnier, del Cercle Artístic de Sant Lluc). El conjunto fue reconstruido después de la Guerra Civil por el arquitecto Pere Benavent, quién procuró devolverle el aspecto original en el interior, aunque también aprovechó la ocasión para construir una cripta bajo la nave central.