En una de les artèries més dinàmiques de la ciutat, l'església de Pompeia encara contribueix a conservar el caràcter senyorial que va tenir la zona en el moment de la seva construcció. Pel seu emplaçament privilegiat, aquesta és una de les obres més populars del seu autor. Com passa en altres obres religioses de Sagnier, el conjunt —format pel temple i el convent annex de frares franciscans (caputxins)— està resolt a través d'un llenguatge neogòtic lliurement interpretat: l'església, de tres naus separades per columnes esveltes, reprèn aspectes de la tradició gòtica catalana, com la nau central d'arcs coberts per bigues de fusta (solució semblant a la capella de santa Àgueda, a l'antic palau dels comtes de Barcelona), mentre que la inventiva de l'arquitecte es fa present als capitells d'estilització floral oa les obertures triangulars. A la façana de pedra destaca el treball escultòric de Josep Llimona: un relleu a la porta i una imatge de sant Francesc d'Assís al gablet superior.

Per la seva banda, el convent (acabat el 1915) és una mica més sobri, en la tradició franciscana de la humilitat, i combina la pedra amb el totxo. Consta de tres crugies, paral·leles a l'alineació de les façanes exteriors; entre elles i la nau lateral del temple es forma un pati irregular amb ornamentació de mosaic. Una de les dependències més destacades del convent és la gran biblioteca de tres pisos (els superiors arrecerats per una barana metàl·lica) i que rep la il·luminació zenital a través d'una claraboia.

El 1936, l'interior del santuari va ser destruït i es va perdre el retaule major, amb pintures de Joan Llimona i centrat per la imatge de la verge de Pompeia, obra del germà d'aquest, l'escultor Josep Llimona (cofundadors ambdós, amb Sagnier, del Cercle Artístic de Sant Lluc). El conjunt va ser reconstruït després de la Guerra Civil per l'arquitecte Pere Benavent, que va procurar tornar-li l'aspecte original a l'interior, encara que també va aprofitar l'ocasió per construir una cripta sota la nau central.

L'edifici es localitza a l'illa de cases delimitada pels carrers de la Riera de Sant Miquel, de Sèneca, de Minerva i l'avinguda Diagonal. La construcció s'aixeca a la parcel·la que fa cantonada entre l'avinguda Diagonal (número 450) i el carrer Riera de Sant Miquel.

L'església, aixecada en perpendicular a l'avinguda Diagonal, és l'edifici més oriental del conjunt. Adossat a un dels seus costats, es desenvolupa el monestir pròpiament dit amb un seguit de construccions que, tot delimitant la forma angular de la parcel·la, se situen al voltant d'un ampli celobert triangular que, d'alguna manera, rememora el tradicional esquema monàstic centrat per un claustre.
L'església, dedicada a la Mare de Déu del Roser, s'inscriu dins de l'etapa modernista de Sagnier d'inspiració neogòtica que l'arquitecte habitualment feia servir pels edificis de culte que projectava. Consta de tres naus separades per esveltes columnes de capitell vegetal i coberta amb embigat de fusta policromada i daurada sobre arcades ogivals. La nau central, més alta que les laterals, presenta un seguit d'obertures que a manera d'ulls de bou li donen llum; al contrari, a les naus laterals, únicament la que dona al celobert del conjunt té finestres (rep llum directament d'aquest pati) mentre que la de l'altre costat no en té cap, en tractar-se la mitgera amb la finca veïna.

La capçalera és de planta hexagonal. La banda superior del tester es configura com un cos de finestres apuntades amb traceria i es cobreix amb una volta nervada. Als peus del temple es localitza el cor que presenta dos nivells. L'inferior es configura a manera de pòrtic, ja que és precisament on es troba l'entra al temple i, es cobreix amb un forjat amb bigues de fusta policromada i daurada que configura la base del pis superior on es localitza l'orgue.

Els murs es troben revestits amb un arrebossat que imita filades de carreus i que és espacialment ornamental a la banda superior de la rosca dels arcs.

La façana, també d'estil goticista, destaca per la verticalitat accentuada per la portalada d'accés al temple. Aquest accés principal està coronat amb un gablet que té un relleu al timpà, obra de Josep Llimona. És del mateix autor la imatge de Sant Francesc d'Assís que es troba a la part superior. El cos central de la portalada queda emmarcat per dues estructures torrejades, que, a l'interior, es corresponen amb les naus laterals. D'aquests elements, la que fa mitgera amb la finca veïna només arriba a mitjana alçada, a diferència de l'altra que es desenvolupa més en alçada donant lloc al campanar de l'església.

Pel que fa a la façana del monestir que dona al carrer Riera de Sant Miquel i al xamfrà amb l'avinguda Diagonal, és de maó vist combinat amb pedra i destaca per la robustesa dels elements constructius que la conformen, especialment les columnes de les obertures. L'accés al monestir es realitza a través d'una porta localitzada al xamfrà de l'edifici que, flaquejada per dues finestres amb llinda esculpida, queda emmarcada completament per un guardapols en forma d'arc apuntat rebaixat. Aquest primer cos en alçada del xamfrà està fet en pedra i es complementa amb una galeria de finestres desenvolupades entre columnes molt robustes, de fust curt i ample. A partir d'aquest nivell el parament és de maó, tot reservant la pedra pels angles, l'emmarcament de les finestres i el coronament de la façana. Pel que fa a les façanes laterals, es manté la mateixa disposició dels materials en funció del nivell d'alçada: pedra a la planta baixa i maó a la resta. Destaca d'aquestes, la galeria de finestres de la planta baixa, els dos pisos de finestres de maó amb llinda de pedra i la solana desenvolupada al nivell de sotacoberta.

Un dels espais més rellevants del conjunt és la biblioteca, projectada també per Sagnier i que té poc a veure amb l'estil neogòtic del conjunt. Va ser concebuda com una estructura metàl·lica de tres pisos, als que s'hi accedeix a través d'una escala de cargol, i que rep il·luminació zenital a través d'una claraboia.