Arkkitehti Carlo Bassin suunnittelema 1837 valmistunut uusklassistinen kivipyhäkkö tuhoutui tulipalossa 1888. Muuriraunioille rakennettiin arkkitehti Josef Stenbäckin suunnittelema kertaustyylinen uusi kirkko 1892. Monien 1900-luvun korjausvaiheiden jälkeen vuonna 2007 valmistuneessa korjaustyössä monumentaalisen kirkon pintarakenteet ja värit palautettiin alkuperäiseen 1890-luvun asuun.  Alkuperäinen vesikatto n. 120 vuotta uusittiin vuonna 2015. Kirkossa on suoritettu mittavat julkisivukorjaukset, sisäkorjaus ja vesikaton uusinta 2000-luvulla

Kirkon eriaikaiset rakennusosat ja irtaimisto muodostavat uudistetun jumalan- palvelustilan, joka kertoo seurakunnan vaiheista usean sadan vuoden ajalta kiveen muurattuna, pintaan maalattuna ja messinkiin valettuna.

Alttaritaulu Kristus ristillä on hovimaalari R. W. Ekmanin maalaus vuodelta 1850. Pääurut ovat Kangasalan urkutehtaan B. A. Thulén rakentamat v. 1895. 

Turun arkkihiippakunnan piispa Kari Mäkinen toimitti kirkon uudelleenpyhittämisen rukoussunnuntaina 2007.

Kanta-Loimaan kirkko on Loimaan seurakunnan pääkirkko, johon mahtuu 1000 henkeä. 

Kirkossa ei ole yleisölle käytettävissä parvia