Зведений на замовлення і коштом київської польської католицької громади. 1898 за сприяння Петербурзького товариства архітекторів влаштовано всеросійський конкурс на проект храму, на який було представлено 30 проектів. Однією з найкращих визнано роботу студента інституту цивільних інженерів С. Воловського, який запропонував споруду в формах середньовічної французької готики. Згодом проектування на основі як цього проекту, так і інших матеріалів конкурсу, доручили арх. В. Городецькому, котрий зберіг ідею С. Воловського, але новий проект істотно відрізнявся від конкурсного. Проектував складні конструкції фундаментів гірничий інженер А. Страус. В експертизі брали участь архітектори О. Кобелєв і В.Ніколаєв. Розробляючи робочий проект, В. Городецький передбачив використання нових прогресивних матеріалів і конструкцій — штучного граніту, каменеподібного тиньку, керамічних облицювальних плиток, залізобетонних та металевих конструкцій. Будівельні роботи велися з перервами (закладено 8 серпня 1899, освячено 6 грудня 1909), але не були завершені остаточно (не закінчено облицювання дворових фасадів, не влаштовано опалення). Разом з місцевими будівельниками в роботах брали участь спеціалісти з Варшави. Частину будівельних матеріалів привезли з-за кордону: кахлі — з Німеччини, черепицю — з Франції, віт-ражі виготовлялися в Ризі. Скульптурні роботи (здебільшого за рисунками В.Городецького) виконував ск. Е. Сала. Статую архангела Михаїла створив чеський ск. Бенеш. Під час оборони (1941) та визволення (1943) Києва внаслідок артилерійських обстрілів і пожежі споруда дуже постраждала: були напівзруйновані дахи, пошкоджені фасади. Значних втрат зазнали інтер'єри: повідпадали тиньк, скульптурні та ліплені деталі, повністю втрачено вітражні заповнення отворів, підлогу, орган тощо. 1946 проведено невідкладні консерваційні роботи дахів, фасадів, вікон, приміщення костьолу передано у використання Державному архіву Київської області. Саме тоді в середині встановили тимчасові багатоярусні дерев'яні конструкції — перекриття, настили, сходи, стелажі. 1957 Київська спеціальна науково-реставраційна виробнича майстерня під керівництвом арх. Є. Лопушинської здійснила першочергові ремонтно-реставраційні роботи на фасадах споруди.
У січні 1979 ухвалено рішення про використання пам'ятки під залу органної та камерної музики, її повну реставрацію й пристосування для нового призначення. Проект реставрації виконала група спеціалістів Українського спеціального науково-реставраційного виробничого управління в складі В. Безякіна, В. Бобиніної, П. Болюка, О. Граужиса, Л. Крощенко, В. Маркіза, Є. Осадчого, Б. Пасхаря.
В розробці проектів інженерного обладнання, влаштування допоміжних приміщень та благоустрою взяли участь архітектори I. Тукалевський та Л. Рибак. Відкриття Республіканського будинку органної та камерної музики відбулося у липні 1979. Об'ємно-просторова композиція кос-тьолу вирішена у формах середньовічної готики й відбиває прояви стилізаторства в архітектурі 2-ї пол. 19 — поч. 20 ст.
В його архітектурі відчутні ремінісценції північноєвропейського ранньоготичного будівництва.
До впливу німецьких традицій можна віднести шатрове завершення бічних веж, а також розвинений трикутний фронтон між ними. Від північної готики походить також поєднання цегли та каменю, імітованих клінкерною плиткою і бетоном. Характер інтернаціональної стилізації має й західний фасад у цілому. Архітектурний образ костьолу будується, передусім, на контрастному протиставленні тектонічної напруги зовнішніх форм та невагомості інтер'єра, у витонченій грації якого розчиняється потужна пластика екстер'єру й формується образ вищого неземного світу. Класична для споруд такого типу схема тринавної базиліки набула оригінального трактування. Це знайшло втілення як у поєднанні архітектурних прийомів різних національних традицій готичного мистецтва, так і в майстерному «цитуванні» та інтерпретації історичної архітектурної образності технічно-конструктивними засобами нової доби. Нові технології (застосування залізобетону) робили зайвим спорудження необхідної частини готичної опорної конструкції — контрфорсів та аркбутанів, що істотно вплинуло на зовнішній вигляд костьолу, спростивши пластичну розробку бічних фасадів. Окрім технічних можливостей бетону, цей матеріал демонструє в будівлі костьолу цікаві естетичні якості. Повторення архітектурних форм готики не в традиційних матеріалах, а в бетоні переводить всю споруду з рівня копії на рівень художньої інтерпретації з чітким усвідомленням естетичної дистанції між витвором та його давніми прототипами.
Ззовні просторова композиція храму вирішена як поєднання вздовж головної осі трьох основних частин. Вісь об'єднує бічні вежі західного фасаду з об'ємом нартекса між ними, зальну частину з підвищеною центральною навою і просторий трансепт з п'ятигранною апсидою. Цілісності враження сприяє гармонійне співвідношення між висотою веж та загальною довжиною храму. Планувальна схема пом'якшена додатковими гранчастими об'ємами, що заповнюють наріжжя й збагачують пластику стін, надаючи планові костьолу індивідуальних нюансів.
На перетині трансепта й центральної нави підноситься стрімка вертикаль вежі-ліхтаря. Її тонкий гострий шпиль, вкритий дрібними хвилями стилізованих пагонів-крабів, перегукується з потужними висотними домінантами західного фасаду й збагачує загальний силует будівлі. Двосхилий, вкритий черепицею дах прикрашає візерунок з темно-сірих зигзагів на світло-терако-товому тлі. Монотонність великих площин даху порушують кілька гостроверхих вибагливої форми вікон-люкарен. Визначальним у загальному враженні від споруди є архітектурно-пластичне вирішення її західного фасаду. Костьол поставлено на підмурок, облицьований грубим, змодельованим у бетоні рустом, масивні блоки якого з нерівними гранями, виступами й западинами виразно свідчать про силу навантажень, що їх вони несуть. Високі квадратні вежі, що завершуються шатрами-шпилями, об'єднані фасадною стіною, увінчаною ступінчастим фронтоном. Потужні виступи-пілони велетенськими сходами піднімаються догори і членують фасад по вертикалі. Завдяки їм архітектурні об'єми зростають ніби на очах. Пілони фіксують наріжжя веж і разом з горизонтальними лініями карнизів та обхідної галереї утворюють конструктивний каркас, що сприймається особливо масштабно порівняно з численними скульптурними деталями. У центрі фасаду, в обрамленні широкої стрілчастої арки квітне готична «троянда» — величний вітраж-розетка, що вабить вишуканою гармонією ажурних переплетінь.
Три входи до костьолу оформлені у вигляді глибоких перспективних порталів з вімпергами, над якими височіють химерні стебла хрестоцвітів. Портали мають брунатно-рожеве забарвлення й контрастують з темно-сірим тлом стіни та пілонів. Центральний (найвищий) портал прикрашають статуї Богоматері з Христом-немовлям і розташовані обабіч постаті святих Петра та Миколая. Святі зображені як католицькі ієрархи в єпископському одязі. Біля їхніх ніг у декор порталу вплетені картуші зі знаками-атрибутами — перехрещеними ключами у Петра і якорем вибагливої форми у Миколая — заступника мандрівників і мореплавців. Статую Богоматері встановлено посеред аркового отвору на колоні з високим цоколем та капітеллю, рослинні мотиви якої трактовано в дусі готичного натуралізму. Погляд Богоматері спрямований трохи вниз, вона ніби зустрічає всіх, хто наближається до храму. Зображення вирішено за іконографічним типом Одигітрії. Ліплення статуї узагальнене і водночас не позбавлене чіткості деталей і тонких пластичних нюансів. Зверху статую, як і бічні постаті, укриває стрілчастий балдахін. Постаті святих розміщені значно вище і на вигляд вони монументальніші. Св. Петро зображений літнім чоловіком з широкою бородою, в тіарі та довгому орнаментованому строї. Схиливши голову, він немов підносить хрест на мантії для поцілунку. Св. Миколай постає у подібному, але простішому вбранні. За католицькою традицією він зображений безвусим і безбородим. Його обличчя підведене догори, правиця піднята у виразному жесті — ніби під час виголошення проповіді.
У тимпанах бічних порталів — рельєфи зі сценами житій святих. Їхнє обрамлення у вигляді консолей підтримують невеликі фігурки драконів. Скульптурна композиція прикрашає також тим-пан фронтону, прорізаний численними стрілами пінаклів. Його центр займає рельєф із зображенням Розп'яття з пристоячими постатями Богоматері та апостола Іоанна.
Їхні світло-сірі силуети чітко сприймаються завдяки контрасту з червоно-теракотовим тлом, рухи сповнені дещо театральної екзальтації. Загалом рельєф виконано у притаманній історизму синтетичній манері, досить далекій від формотворчих прийомів автентичної готики, з помітними ремінісценціями бароко та оповідного стан- ковізму кін. 19 ст.
На найвищій точці фронтону встановлено статую архангела Михаїла, що, ніби ширяючи у повітрі, підняв меч над велетенським змієм, довгий хвіст якого звивається навколо вертикалі центрального пінаклю. Розкреслені стрункими стрілчастими нішами стіни веж також декоровані скульптурами, які пожвавлюють сприйняття їхніх суворих, спрямованих вгору форм. Статуї встановлено обабіч високих вузьких вікон третього ярусу, майже під самими шатрами. З восьми зображень пророків донині збереглося тільки чотири. На бічних стінах веж — порожні кронштейни та балдахіни. Верхи веж оформлено як ажурні восьмигранні шатри, охоплені внизу балюстрадою з чотирма масивними пінаклями, рядом готичних вікон. Під шпилем шатри прикрашено своєрідною короною з дрібних фронтонів, над якими підноситься фіал. Теперішній інтер'єр костьолу є наслідком його образного переосмислення під час реставраційно-реконструкційних робіт 1979—81, що змінили функціональне призначення споруди й уможливили проведення в ній активної концертної діяльності. Найбільш естетично вартісним є оздоблення центральних приміщень — нартекса, нави, трансепта та апсиди, що разом складають розгорнуту в просторі цілісну архітектурну композицію. Внутрішні об'єми підвального поверху та веж мають, насамперед, технічно-допоміжне призначення.
Спершу відвідувач опиняється у прямокутному, витягнутому на всю ширину нави нартексі, перекритому хрещатим склепінням. Його рожева поверхня декорована профільованими нервюра-ми й вкрита регулярним орнаментом з квіткових розеток та стилізованих пагонів, які добре вирізняються завдяки тонкій деталізації та сірому бетону. Враження напруженості конструкції підкреслюється крутими дугами нервюр та пластично акцентованими виступами-кронштейнами, на які вони спираються, а також великою розеткою в центрі склепіння. Підлога нартекса викладена мармуровою плиткою-шахівницею. Її ніжна колірна вібрація золотаво-рожевих та сизувато-сірих відтінків вторує більш насиченим колірним поєднанням перекриття. Праворуч та ліворуч, через бічні стрілчасті арки простір нартекса з'єднується з рекреаціями, влаштованими у першому ярусі бічних веж. Майже всю їхню площу займають монументальні сходи з червоного граніту, що ведуть у підвальний поверх до фойє, гардероба тощо. Через бічні двері можна потрапити на сходи, що ідуть на хори й далі. Від нав нартекс відділяє стіна з широкою стрілчастою аркою. Тимпан арки має вітражне заповнення в бетонному переплетінні у вигляді стилізованого готичного трилисника. Орнаментальні мотиви вітража мають геометрично-рослинний характер. У них превалюють яскраво-сині, пурпурові, оливково-вохристі кольори. Нижню прямокутну частину отвору займають ажурні металеві двері, чотири секції яких також виконано у техніці вітража, але тьмяніших, приглушених відтінків. Основу орнаменту складають фіолетові п'ятипелюсткові квіти у світло-рожевих колах на жовто-вохристому тлі напівпрозорого фактурного скла. Нижню частину дверей декоровано візерунком хрестоцвітів з жовтого металу. Після сутіні нартекса центральна зала вражає потоками світла, що линуть згори, легким злетом склепінь, гнучкою пластикою нервюр. Стіна, що відділяє нартекс від зали, слугує водночас огородженням хорів, розташованих над нартексом. Зсередини стіну прикрашено пишно декорованим порталом, у центрі якого сяє вже згаданий вітраж. Спірально скручена рослинна гірлянда, численні лінії профільованого обрамлення охоплюють дверний отвір. Вони повторюють його силует і поступово витягуються у високий тонкий щипець, грані якого прикрашено геометричними виступами та звивистим стилізованим листям. Обабіч арки — два невисокі пінаклі, що надають порталові більшої урочистості та ритмічно підтримують центральний мотив. З боків порталу, в стіні — дві ніші з декоративними вазами та стрілчастими обрамленнями на консолях. Верх стіни також має ошатне декоративне оздоблення у вигляді аркатурного ряду. Трохи вище — горизонтальна орнаментально-рослинна стрічка з трилисниками. Край стіни оформлено у вигляді зубчастого бордюру з різновисоких хрестоцвітів, що ритмічно чергуються.
Щипець порталу слугує п'єдесталом для статуї ангела з апокаліпсичною сурмою в руках. Його постать височить на тлі вітража-троянди, вирішеного в яскраво-синіх, червоних, зеленувато-вохристих кольорах, і нагадує про традиційну символіку нартекса, яка пов язує цю просторову зону храму з уявленням про Страшний суд. Проте у нинішньому інтер'єрі, з його істотно зміненою семантикою, ангел з сурмою сприймається як символ творчого піднесення, натхнення, а не як провісник останніх днів людства. Його постать майстерно підпорядкована вертикальному пориву: закинута голова, здійняті руки, спіраль контрапостної постави, енергійні півдуги крил — все це спрямовує її догори. Водночас ви-разно змодельовані бганки драпірування пов'язують її з п'єдесталом, дають протилежний пластичний вектор. Протиборство цих спрямувань знаходить вирішення у золотосяйній вертикалі сурми.
Залу костьолу поділено десятьма масивними рожевими стовпами на три нави та перпендикулярний до них об'єм трансепта. Стовпи профільовано у вигляді щільних пучків тонких гуртів, що розходяться і вигинаються угорі як обважнілі гілки дерев, утворюючи при цьому нервюрні перехрестя трав. Центральна нава цілком домінує у просторовій композиції інтер'єра, в якій ритмічно чергуються освітлені й затемнені зони, панують вишукано-контрастні протиставлення кольорів. Над аркадами бічних галерей-нав — ряд великих вікон із заповненнями з білого матового скла та орнаментально-вітражного обрамлення. Світло з них надає центральним склепінням візуальної невагомості, розчиняє чіткість граней конструкції, наповнює її єдиним настроєм і рухом. Ефект посилюється особливим фактурно-колірним вирішенням склепінь: сріблясте ніжно-блакитне тло вкрите дрібною рожевою сіткою пластичного декору, що створює враження нематеріальної легкості перекриття. Бічні нави, незважаючи на вітражні вікна, ховаються в пітьмі, що робить їхній простір мінливо-загадковим. Подібні ефекти можна спостерігати також у тригранній екседрі, що з лівого боку прилягає до нартекса. Вітражі екседри і нав мають геометрично-рослинний рисунок. В їхніх орнаментах варіюються мотиви суцвіть іриса, хрестоцвітів та геометричних фігур. Колірна гама будується на поєднанні фіолетових та золотаво-червоних відтінків. Рух архітектурних форм спрямовується у напрямку апсиди, де під ультрамариново-синім у золотих зорях склепінням, що символізує небо, встановлено орган, створений 1979 чеською фірмою «КІЕСЕК—КХОЗЗ» (м. Крнов). Еклектичний за стилістикою, цей інструмент поєднує в своєму звучанні найважливіші історичні напрями — німецьке бароко та французький романтизм. Орган має 3945 труб, 55 регістрів між трьома ручними клавіатурами та педальною клавіатурою. Розмір труб, виготовлених з металу та різних цінних порід дерева, — від 13 мм до 6,0 м. Інструмент має програмне керування. В оновленій художній системі інтер'єра орган набув глибокого символічного значення як втілення музики — гармонізуючого начала Всесвіту, що цілком узгоджується з естетичними уявленнями доби готики. Оздоблення інтер'єра доповнюють три великі багатоярусні люстри, стилістично витримані меблі Львівської меблевої фабрики, високоякісний паркет, виготовлений в м. Ківерцях Івано-Франківської обл.
Костьол є одним з найдосконаліших витворів арх. В. Городецького, в якому він блискуче продемонстрував глибину мистецької ерудиції, свободу й оригінальність творчого мислення в рамках такого характерного стилістичного явища в художньому житті кін. 19 — поч. 20 ст., яким був історизм.
Тепер тут містяться Національний будинок органної та камерної музики України й Римсько-католицька парафія св. Миколая Житомирської дієцизії [800].