Барокковый Доминиканский собор построен был на месте старого готического (архитектор Николай Чех), разобранного в 1745 году. Спроектировал его военный инженер и архитектор Ян де Витт, комендант Каменец-Подольской крепости и будущий свекор Софии Витт-Потоцкой. Деньги на строительство собора пожертвовал польский коронный гетман Йозеф Потоцкий, он же в 1748 году заложил в фундамент собора первый камень. Вначале строительными работами руководил архитектор Мартин Урбаник, в 1764 году его заменил Кшиштоф Мурадович, а работами по декорированию фасада руководил Клеменс Фессингер. Костёл был полностью завершён в 1798 году.
Огромное здание, крестоподобное в плане, имеет овальную центральную часть, над которой парит большой эллипсоподобный купол. Интерьер храма поражает. Лоджии и галереи покоятся на декорированных колоннах и восемнадцати деревянных позолоченных фигурах доминиканских святых (выполнены последние Львовскими скульпторами во второй половине XVIII века). Главный алтарь украшают четыре большие скульптуры: апостолы Петр и Павел, Иоанн Креститель и евангелист Лука работы скульптора Матвея Полеевского (по другой версии — С. Фессингера).
В 1707 году в монастыре был подписан договор о союзе между Российской империей и Речью Посполитой в войне против Швеции.
К зданию костёла примыкают четырёхъярусная колокольня и трехэтажное здание келий. Колокольню построили в 1856 году по проекту архитектора Юлиана Захаревича.
Во время советской власти костёл превратили в склад для стройматериалов. В 1972 году в здании келий бывшего монастыря открыли Музей истории религии и атеизма, в костёле под куполом нефа даже специально повесили маятник Фуко как антирелигиозный символ.
В наши дни здание костёла принадлежит Украинской греко-католической церкви, а в кельях бывшего монастыря по-прежнему работает музей — теперь уже просто Музей истории религии. Всего в его фондах насчитывается около 50 тысяч экспонатов.
В 1559 году в монастыре доминиканцев пряталась от своего мужа наследница состояния князей Острожских — красавица Елена (Гальшка) Ильинична Острожская. Девушка, любившая князя Симеона Слуцкого, очень не хотела выходить замуж за воеводу Луку из Гурки. Однако в те времена мнения женихов и невест обычно не спрашивали, тем более Луку назначил Гальшке в мужья сам король. Несчастная красавица сбежала в доминиканский монастырь, под стены которого не замедлил явиться её будущий муж. Он осадил обитель и перекрыл подачу воды в неё. Вскоре доминиканцам не оставалось ничего другого, кроме как выдать гуркскому воеводе его непокорную невесту.