La presenza dei Domenicani in Torino è documentata dalla metà del secolo XIII; la chiesa però fu edificata soltanto tra il 1334 e il 1335 e ampliata nel 1351.

È l'unico edificio torinese in stile gotico; la facciata - databile alla seconda metà del Trecento - è in mattoni a corsi regolari.

All'interno, nella cappella delle Grazie, sono conservati affreschi trecenteschi, esempi unici a Torino.

Sul lato sinistro è raffigurata la Maiestas Domini: Cristo in trono circondato dai simboli degli evangelisti; sul lato destro è dipinto san Tommaso d'Aquino che presenta alla Vergine i donatori della cappella. Al centro è affrescata la scena dell'Annunciazione. Nel registro più basso, sono rappresentati gli apostoli, identificabili ognuno da un cartiglio.

Gli affreschi furono restaurati nel 1906 e integrati delle parti mancanti.

Sul terzo altare della navata sinistra è stato posto un affresco - staccato dalla navata centrale – che raffigura il duca Amedeo IX di Savoia.

L'affresco, attribuito a Antoine de Lonhy, è stato datato post 1472, anno della morte del duca. Questi è identificabile dal cartiglio ed è rappresentato appoggiato allo scettro, simbolo di regalità e di continuità del potere. L'iconografia scelta per questo ritratto deve essere letta in chiave politica: la prematura scomparsa del duca e la reggenza della vedova per il figlio Filiberto era minacciata dalle pretese del fratello cadetto di Amedeo, Filippo di Bresse. Questi avrebbe avuto infatti diritto a rivendicare per sé la reggenza del ducato.

La Chiesa di San Domenico, durante il bombardamento del 13 luglio 1943, subì gravi danni alla copertura del tetto e del campanile. Nel maggio del 1944 il tetto risultava già totalmente ripristinato.