En una de les artèries més dinàmiques de la ciutat, l’església de Pompeia encara contribueix a conservar el caràcter senyorial que va tenir la zona en el moment de la seva construcció. Pel seu emplaçament privilegiat, aquesta és una de les obres més populars del seu autor. Com s’esdevé en altres obres religioses de Sagnier, el conjunt —format pel temple i el convent annex de frares franciscans (caputxins)— està resolt per mitjà d’un llenguatge neogòtic lliurement interpretat: l’església, de tres naus separades per esveltes columnes, reprèn aspectes de la tradició gòtica catalana, com la nau central d’arcs coberts per bigues de fusta (solució semblant a la capella de santa Àgueda, a l’antic palau dels comtes de Barcelona), mentre que la inventiva de l’arquitecte es fa present en els capitells d’estilització floral o en les obertures triangulars. A la façana de pedra destaca el treball escultòric de Josep Llimona: un relleu a la porta i una imatge de sant Francesc d’Assís al gablet superior.

Per la seva banda, el convent (acabat el 1915) és una mica més sobri, en la tradició franciscana de la humilitat, i combina la pedra amb el maó. Consta de tres crugies, paral·leles a l’alineació de les façanes exteriors; entre aquestes i la nau lateral del temple es forma un pati irregular amb ornamentació de mosaic. Una de les dependències més destacades del convent és la gran biblioteca de tres pisos (els superiors, protegits per una barana metàl·lica) i que rep la il·luminació zenital a través d’una claraboia.

El 1936, l’interior del santuari va ser destruït i es va perdre el retaule major, amb pintures de Joan Llimona i centrat per la imatge de la marededéu de Pompeia, obra del germà d’aquest, l’escultor Josep Llimona (ambdós cofundadors, amb Sagnier, del Cercle Artístic de Sant Lluc). El conjunt va ser reconstruït després de la Guerra Civil per l’arquitecte Pere Benavent, qui va procurar tornar-li l’aspecte original a l’interior, encara que també va aprofitar l’ocasió per construir una cripta sota la nau central.