La chiesa è legata alla figura di Filippo Neri, fondatore nel 1551 dell'«Oratorio» eretto nel 1575 da Gregorio XIII per la congregazione dell'Oratorio (Oratorio dei Filippini). In tale circostanza al santo fu assegnata l'antica chiesa di S. Maria in Vallicella, documentata dal sec. XII e così detta da un avvallamento forse corrispondente al «Tarentum», santuario sotterraneo sede del culto delle divinità infernali Dite e Proserpina. La ricostruzione del tempio cristiano (da qui Chiesa Nuova), iniziata nello stesso 1575, fu opera di Matteo da Città di Castello, che nella pianta a navata unica con quattro cappelle per lato riprese a modello il Gesù allora in costruzione. Dal 1586 al 1590 gli subentrò Martino Longhi il Vecchio, che modificò il progetto originario con trasformazioni probabilmente imposte dai religiosi, che volevano allontanarsi dal modello gesuita. Consacrata nel 1599, la facciata della chiesa fu compiuta nei primi del '600 e nel corso dello stesso secolo fu aggiunta la ricchissima decorazione interna, completata poi nel '700. Sulla facciata, ricoperta in travertino, l'estrema contrazione delle ali raccordate da volute all'ordine superiore denuncia le ridotte dimensioni delle cappelle rifatte dal Longhi. Nell'interno, la derivazione dal modello controriformista del Gesù è ancora evidente, nonostante le modifiche apportate dal Longhi, il ricchissimo apparato decorativo barocco e le manomissioni postconciliari; rispetto al Gesù, maggiore è lo sviluppo verticale e più frequente il ritmo delle paraste corinzie e delle arcate delle cappelle. Le tele alle pareti della navata e del transetto e sopra i coretti del presbiterio (episodi del Vecchio e del Nuovo Testamento) sono di Lazzaro Baldi, Giuseppe Ghezzi, Daniele Seiter, Giuseppe Passeri e Domenico Parodi. Sul soffitto, tra stucchi disegnati da Pietro da Cortona, ci sono gli affreschi dello stesso Pietro da Cortona. Ai lati del presbiterio, cantorie in legno intagliato e dorato (sec. XVIII); sotto quella di destra è l'ingresso alla cappella Spada, con ricco rivestimento di marmi ad opera di Carlo Rainaldi e Madonna col Bambino e i Ss. Carlo Borromeo e Ignazio di Loyola, di Carlo Maratta (1675). Nel presbiterio, monumentale ciborio in bronzo su disegno di Ciro Ferri (1681); la pala con la Vergine col Bambino e i due dipinti laterali (Ss. Domitilla, Nereo e Achìlleo, Ss. Gregorio Magno, Mauro e Papia) sono il capolavoro romano di Peter Paul Rubens (1606-1608). A sinistra del presbiterio, cappella di S. Filippo Neri, progettata da Onorio Longhi e terminata da Paolo Marucelli (1600-1604), caratterizzata da uno straordinario rivestimento di marmi pregiati, pietre dure e madreperla; nella cappella del transetto sinistro c'è la Presentazione di Maria al tempio, di Federico Barocci. Una porta a destra del corridoio immette nel Santuario terreno, composto dalla Camera rossa e dalla Cappella interna, ornata di marmi; al primo piano, il Santuario superiore con opere di Guido Reni, Pietro da Cortona, Pomarancio e Cavalier d’Arpino.