Durante el primer tercio del siglo XVIII, los jesuitas decidieron demoler el viejo templo por ser insuficiente para contener a las multitudes que acudían a los oficios. Durante la gestión del padre Ignacio Mozárabe como rector, se inició la erección del nuevo templo, contándose con un ambicioso proyecto que ampliaba el esquema de tres naves del primero. Se aprovechó la sacristía y parte de los muros de los costados del viejo templo.
Algunos autores señalan al poblano José Miguel de Santa María como autor del proyecto, pero Díaz afirma que este únicamente se encargó de dirigir la obra; Díaz sugiere como autor de la Compañía al arquitecto andaluz Leonardo de Figueroa, fallecido en 1730.
El templo se consagró el 28 de febrero de 1767, siendo obispo Francisco Fabián y Fuero. Poco después, los jesuitas fueron expulsados de los dominios del monarca español. Todas las propiedades de la Compañía de Jesús pasaron a manos de la Corona. El inmueble fue ofrecido inicialmente a los padres del Oratorio de San Felipe Neri como casa, pero estos lo rechazaron. En 1770, el Colegio del Espíritu Santo y otros que tenía la Compañía de Jesús en Puebla fueron reunidos en una sola institución: el Colegio Carolingio.
Las torres se terminaron entre 1804 y 1812. En 1821, los retablos barrocos fueron destruidos y, para 1835, ya se habían terminado los actuales.
Desde el punto de vista eclesiástico, el templo permaneció en manos de los jesuitas desde 1888 hasta 1978, cuando fue cedido al arzobispado, que actualmente lo usa como auxiliar de la catedral para administrar el sacramento de la confirmación. El retablo principal fue fabricado en 1927, según un diseño del arquitecto Luis G. Olvera.
