Las obras de esta iglesia se iniciaron en 1694, tras la demolición del antiguo edificio, al que pertenecía la torre. La planta se compone de tres naves, la central, muy ancha, mientras que las laterales son casi a modo de capillas comunicadas entre sí. Su cubrición lleva consigo la aparición de un elevado número de cúpulas sobre pechinas y con linterna -cuatro de cada lado-. Cuatro son también los tramos de la nave central, cubiertos por bóveda de medio cañón con lunetos. La cúpula del crucero, con linterna, manifiesta una gran dimensión y apoya sobre pechinas trapezoidales, ya que se suavizaron los extremos del cuadrado de la base mediante chaflanes. Los brazos del crucero y dos ramos de la capilla mayor se rematan con bóvedas de medio cañón con lunetos. El tramo final de la cabecera, muy profunda para alojar el coro, encierra una planta pentagonal y bóveda de cinco gajos con lunetos. a los pies existe un pórtico comunicado por los laterales a modo de falso pasaje, que a su vez, sirve de acceso al campanario situado más al oeste. en el extremo sur del crucero está adosada la capilla de la Purísima, que antiguamente fue solar de la iglesia de San Martín. Tiene planta de cruz latina con bóvedas de medio cañón con lunetos y cúpula con linterna, sobre pechinas, en el crucero. En el exterior destaca la poderosa imagen de la torre y el volumen del conjunto de las tres naves con la coronación del cimborrio octogonal, que trasdosa la cúpula, y la gran cantidad de linternas de las naves laterales -cuatro a cada lado- y del cimborrio, todo ello acabado en ladrillo. El pórtico muestra sin embargo un acceso mediante arco de sillería con arquivolta y jambeado moldurado en formas cóncavas, dando acceso mediante amplio arco de sillería con arquivolta y jambeado moldurado en formas cóncavas, dando acceso a los atrios exteriores cubiertos por bóvedas de arista. En el flanco sur aparece también la fachada de la capilla de la Purísima, toda ella de ladrillo o, con portada de dos cuerpos con muros centrales, -el inferior de acceso, de medio punto-, encuadrados entre pilastras y entablamentos.

La iglesia de Cariñena es un ejemplar destacado del barroco aragonés.