Arbejdet på den nye kirke begyndte i 1569 og det blev arkitekten Domenico di Dario da Mezzana, som i årene 1574-1578 ledede projektet, mens den senere mere kendte arkitekt Giacomo della Porta i 1589 nævnes som medhjælp og derefter fra 1591 som arkitekt på byggeriet.

Man ønskede ikke at rive den gamle Kirke Santa Maria Balneapolis ned, så arbejdet foregik istedet rundt om denne. Man begyndte med koret, som stod færdigt i 1577, hvorefter arbejdet på kampanilen tog fat. Dette afsluttedes i 1593 og samtidig arbejdede man på både Klosteret og Kirken.

Kirkebyggeriet foregik i flere etaper og planer, fordi der næsten er tale om flere kirker! Dominikaner-nonnerne skulle leve i klausur og det var derfor vigtigt, at de havde en helt afgrænset og afskærmet del af Kirken, hvorfra de kunne deltage i messerne, følge med i gudstjenestens gang, men ikke blive set, dog måtte de gerne høres, så deres sang fra det afsondrede kor kunne bidrage til den højtidelige stemning.

Man taler derfor ved Kirken Santi Domenico e Sisto om:
"La Chiesa di Dentro", "Kirken indenfor", eller koret, som ligger langs Via Panisperna op mod Via di Sant'Agata dei Goti. Det er dette rum, som var reserveret de klausulerede nonner, herfra kunne de følge med i messerne i "Kirken udenfor" og her kunne der afholdes messer kun for dem.
"La Chiesa di Fuori", "Kirken udenfor", som også simpelthen kaldes Kirken Santi Domenico e Sisto og udgør selve den Kirke, som besøgende kan få at se. Det er denne bygning, der ligger med hovedindgangen fra Largo Angelicum og sidemuren ud mod Via Panisperna på dennes første stykke. Det er dette kirkerum, som er åbent for almindelige troende og hvor der holdes almindelige messer, som nonnerne kunne bivåne gennem tilgitrede åbninger, der i væggene kommunikerer med smalle korridorer i de tykke mure.
Endelig er der "La Chiesa di Sopra" eller "Coro di Sopra"; "Kirken/Koret ovenpå", som ligger på etagen over kirkerummene og idag bruges som mødesal.

I 1602 døde Giacomo della Porta og byggeriet lå nu stille i en række år, indtil Niccolò Torriani overtog ledelsen i 1609 og arbejdet med Kirken og Klosteret fortsatte. Herunder afsluttedes presbyteriet og de 2 kapeller ved siden af dette, mens hovedskibet, de sidste 4 kapeller og facaden blev færdiggjort i årene 1628-1633.

Efter en periode, hvor nonnerne havde svært ved at skaffe midler til byggeriet, kom der en tid, hvor de flere gange modtog store gaver fra Roms mest velstillede familier, heriblandt kan nævnes familierne Aldobrandini, Maffei, Molara og Mattei, ligesom klosterets beskytter Kardinal Scipione Borghese ydede sit bidrag.

Fra 1628 deltog Carlo Maderno i arbejdet og i 1633 overtog Niccolò Torriano's broder Orazio Torriani ledelsen, som han beholdt til 1641. Kirkebyggeriet var imidlertid så godt som fuldført i 1636, hvor 2 statuer af Stefano Maderno blev opsat i nicher på facaden.

Der var dog også andre arkitekter tilknyttet byggeriet, fra 1635-36 Francesco Peparelli og fra 1634-52 Giovanni Battista Soria, som også arbejdede på den nærliggende kirke Santa Caterina da Siena.

Resultatet af byggeriet var åbenbart ikke helt efter nonnernes smag, for i årene 1646-1663 lod de facaden fuldstændigt ombygge af Vincenzo og Felice della Greca. Kirken blev gjort højere og facaden ombygget til 2 "etager". Det var under disse arbejder, at den smukke buede, dobbelte trappe blev opført.

I 1733 foretoges der nogle reparationer og fornyelser i Kirken under arkitekten Giovan Battista Contini, der byggede et nyt sakristi på den højre side med en ny sideindgang til kirkerummet. I 1749 restaureredes nonnernes Kirke, "La Chiesa di dentro", og i 1932 blev sakristi-tilbygningen revet ned i forbindelse med en ny og gennemgribende restaurering af hele komplekset.