En una de las arterias más dinámicas de la ciudad, la iglesia de Pompeya todavía contribuye a conservar el carácter señorial que tuvo la zona en el momento de su construcción. Por su emplazamiento privilegiado, esta es una de las obras más populares de su autor. Como ocurre en otras obras religiosas de Sagnier, el conjunto —formado por el templo y el convento anexo de frailes franciscanos (capuchinos)— está resuelto a través de un lenguaje neogótico libremente interpretado: la iglesia, de tres naves separadas por columnas esbeltas, retoma aspectos de la tradición gótica catalana, como la nave central santa Águeda, en el antiguo palacio de los condes de Barcelona), mientras que la inventiva del arquitecto se hace presente en los capiteles de estilización floral o en las aberturas triangulares. En la fachada de piedra destaca el trabajo escultórico de Josep Llimona: un relieve en la puerta y una imagen de san Francisco de Asís en el gablete superior.
Por su parte, el convento (acabado en 1915) es algo más sobrio, en la tradición franciscana de la humildad, y combina la piedra con el ladrillo. Consta de tres crujías, paralelas a la alineación de las fachadas exteriores; entre ellas y la nave lateral del templo se forma un patio irregular con ornamentación de mosaico. Una de las dependencias más destacadas del convento es la gran biblioteca de tres pisos (los superiores resguardados por una barandilla metálica) y que recibe la iluminación cenital a través de una claraboya.
En 1936, el interior del santuario fue destruido y se perdió el retablo mayor, con pinturas de Joan Llimona y centrado por la imagen de la virgen de Pompeya, obra del hermano de este, el escultor Josep Llimona (cofundadores ambos, con Sagnier, del Círculo Artístico de Sant Lluc). El conjunto fue reconstruido después de la Guerra Civil por el arquitecto Pere Benavent, que procuró devolverle el aspecto original al interior, aunque también aprovechó la ocasión para construir una cripta bajo la nave 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.
