El inmueble, construido alrededor de 1575 y concluido en su totalidad en 1670, mide 56 metros de largo de la puerta al testero y 11.80 metros de ancho en la nave y 16 metros en los cruces, formando una planta de cruz latina. La portada del templo corresponde al estilo del barroco sobrio de principios del siglo XVII, mide 27 metros de alto y está integrado por tres cuerpos de tres calles y un remate. En los nichos de los intercolumnios se alojan diez esculturas de santos dominicos; en el remate la Fe, la Esperanza y la Caridad rodean al escudo de la Orden. [Moreno, 1994, p.199] Sus torres miden 35 metros, constituidas por dos columnas que soportan un entablamento y un pretil con cuatro pináculos por lado, que sostienen una cúpula con cupulín cubiertos por azulejo blanco y azul. La decoración del templo fue realizada durante los años de 1640 a 1660.
Desde el siglo XVI, la nave ha sufrido las siguientes modificaciones y reparaciones: se clausuró la comunicación entre el templo y el convento; se repararon los nichos de las columnas de las capillas; se construyó el púlpito y se arreglaron las pechinas de la cúpula del crucero.

El primer retablo se construyó en 1612 y 69 años después se cambió por otro, el cual conservó las pinturas y las esculturas del primero. También se sustituyeron algunas pinturas por las estatuas de los fundadores de las órdenes religiosas. De acuerdo con Burgoa a mediados del siglo XVII el templo contaba con una reja de hierro; dos tribunas a los lados con un órgano en cada una; la sillería, y sobre ella, en la pared, "imágenes de varios misterios de Nuestra Señora, de media talla de yeso, con vestidos de colores, sobredorados, y santos, nuestros padres, San Francisco al lado derecho, y Santo Domingo al izquierdo." [Arroyo, 1955, p. 27].
A principios del siglo XIX se colocaron imágenes de la Virgen María y otros personajes en espacios que se habían destinado para ese propósito; tiempo en que el conjunto se encontraba casi deshabitado. En 1859 el templo y el convento se convirtieron en cuartel: "En 1862 se usó la nave principal como caballeriza y, por órdenes del teniente coronel Martín Rivera, se destruyeron el retablo principal y algunas capillas (...) pues se buscaba recobrar el oro de hoja que los recubría." [Ortiz, 1995, p.26] Fue hasta 1898 cuando, por gestiones del obispo Gillow, se devolvió el templo al clero. En esta época se colocó una reja para delimitar el atrio; se manufacturaron el retablo principal, con un estilo neogótico, y los brazos del crucero con arcos árabes laqueados en blanco y perfiles dorados y se habilitó la sala obispal.

El Templo de Santo Domingo fue declarado Monumento Histórico el 6 de abril de 1933. A partir de 1938 los dominicos se instalaron en el claustro posterior del templo, y el padre Secundino Martín retiró los altares que colocó Gillow, entre ellos el principal, ya que "contrastaba totalmente con la grandeza del templo principal." [Tascón, 1994, pp. 45]. Posteriormente en los años sesenta, los religiosos Esteban Arroyo y José María Tascón hicieron algunas modificaciones: el primero mandó construir en 1956 el retablo que actualmente se exhibe y el altar mayor.

Entre los años de 1972 y 1976, la Secretaría de Patrimonio Nacional llevó a cabo varias obras de restauración en el atrio, la fachada, la nave, los nichos de las columnas y las pechinas de la cúpula del crucero; asimismo, se restauraron 36 pinturas que se encuentran en la bóveda, el púlpito, el comulgatorio, el coro y el sotocoro, entre otras. Originalmente, el atrio se encontraba delimitado por una tapia de piedra y en el siglo XIX se colocó una reja de hierro, parecida a la de la catedral de Puebla, la cual se retiró en 1965.

En la actualidad el templo cuenta con seis capillas de las ocho que tenía de cada lado en 1669. Su restauración, junto a la del exconvento, realizada entre 1994 y 1998, arquitecto Juan Urquiaga Blanco, fue en 2010 considerada la obra de restauración más importante en Latinoamérica y distinguida por la reina Sofía de España con el Primer Premio Internacional Reina Sofía de Conservación y Restauración del Patrimonio Cultural, durante el Primer Congreso Iberoamericano sobre Patrimonio Cultural.

Investigación inicial: V. Icaza, P. Legorreta. Redacción: P. Legorreta.

Actualización 2016: Guillermo Analco Reyes.