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.

El edificio se localiza en la manzana delimitada por las calles de la Riera de Sant Miquel, de Séneca, de Minerva y la Avenida Diagonal. La construcción se levanta en la parcela que hace esquina entre la Avenida Diagonal (número 450) y la calle Riera de Sant Miquel.

La iglesia, levantada en perpendicular a la Avenida Diagonal, es el edificio más oriental del conjunto. Adosado a uno de sus lados, se desarrolla el monasterio propiamente dicho con una serie de construcciones que, delimitando la forma angular de la parcela, se sitúan en torno a un amplio patio de luces triangular que, de alguna manera, recuerda al tradicional esquema monástico con un claustro en el centro.
La iglesia, dedicada a la Virgen del Rosario, se inscribe dentro de la etapa modernista de Sagnier de inspiración neogótica que el arquitecto utilizaba habitualmente para los edificios de culto que proyectaba. Consta de tres naves separadas por esbeltas columnas de capitel vegetal y cubierta con envigado de madera policromada y dorada sobre arcadas ojivales. La nave central -más alta que las laterales- presenta una serie de aperturas que a modo de ojos de buey le dan luz; por el contrario, en las naves laterales, únicamente la que da al patio de luces del conjunto tiene ventanas (recibe luz directamente de este patio), mientras que la del otro lado no tiene ninguna, al tratarse la medianera con la finca vecina.

La cabecera es de planta hexagonal. La banda superior del testero se configura como un cuerpo de ventanas apuntadas con tracería y se cubre con una bóveda nervada. A los pies del templo se localiza el corazón que presenta dos niveles. El inferior se configura a modo de pórtico, ya que es precisamente donde se encuentra la entra en el templo y se cubre con un forjado con vigas de madera policromada y dorada que configura la base del piso superior donde se localiza el órgano.

Los muros se encuentran revestidos con un enlucido que imita hiladas de sillares y que es espacialmente ornamental en la parte superior de la tuerca de los arcos.

La fachada, también de estilo goticista, destaca por su verticalidad acentuada por la portalada de acceso al templo. Este acceso principal está coronado con un gablete que tiene un relieve en el tímpano, obra de Josep Llimona. Es del mismo autor la imagen de San Francisco de Asís que se encuentra en la parte superior. El cuerpo central de la portada queda enmarcado por dos estructuras torreadas que, en su interior, se corresponden con las naves laterales. De estos elementos, la que hace medianera con la finca vecina solo alcanza media altura, a diferencia de la otra que se desarrolla más en altura, dando lugar al campanario de la iglesia.

En cuanto a la fachada del monasterio que da a la calle Riera de Sant Miquel y al chaflán con la Avenida Diagonal, es de ladrillo visto combinado con piedra y destaca por la robustez de los elementos constructivos que la conforman, especialmente las columnas de las aperturas. El acceso al monasterio se realiza a través de una puerta localizada en el chaflán del edificio que, flanqueada por dos ventanas con dintel esculpido, queda enmarcada completamente por un guardapolvo en forma de arco apuntado rebajado. Este primer cuerpo en altura del chaflán está hecho en piedra y se complementa con una galería de ventanas desarrolladas entre columnas muy robustas, de fuste corto y ancho. A partir de este nivel el paramento es de ladrillo, reservando la piedra para los ángulos, el encuadre de las ventanas y el coronamiento de la fachada. Por lo que respecta a las fachadas laterales, se mantiene la misma disposición de los materiales en función del nivel de altura -piedra en la planta baja y ladrillo en el resto-. Destaca la galería de ventanas de la planta baja, los dos pisos de ventanas de ladrillo con dintel de piedra y la solana desarrollada al nivel de bajocubierta.

Uno de los espacios más relevantes del conjunto es la biblioteca, proyectada también por Sagnier y que poco tiene que ver con el estilo neogótico del conjunto. Fue concebida como una estructura metálica de tres pisos, a los que se accede a través de una escalera de caracol, y que recibe iluminación cenital a través de una claraboya.