Diseñada por el maestro Mateus Fernandes, uno de los arquitectos responsables de las «capillas imperfectas» del Monasterio de Batalha, la iglesia data de principios del siglo XVI y destaca por el hecho de que su capilla mayor se construyó sobre una de las fuentes termales.
El templo es de una sola nave cubierta por una bóveda de artesones. El presbiterio, con bóveda de crucería, está separado por un arco triunfal policéntrico que imita efectos de cortinas, coronado por un escudo real y un tríptico de pintura del siglo XVI sobre madera que representa episodios de la Pasión de Cristo.
Cuenta con un retablo de mármol con columnas clásicas, dos esculturas de la Anunciación y acceso a la sacristía (coronada en el exterior por la torre del campanario, con arcos geminados rematados por un reloj), a través de una puerta ricamente decorada.
En cuanto a las paredes, tanto de la nave como de la capilla mayor, están cubiertas en su totalidad por paneles de azulejos del siglo XVII, con motivos geométricos en amarillo y azul, a diferencia de los frentes de azulejos del siglo XVI de los retablos de talla dorada de los altares laterales.
En el interior, cabe destacar también la pila bautismal, de planta octogonal, con forma de cáliz y profusamente ornamentada con calados, atribuida a los escultores de la pila bautismal de la Sé Velha de Coimbra.
Aunque de dimensiones reducidas, la iglesia de Nossa Senhora do Pópulo destaca por la combinación de estilos que presenta, siendo considerada uno de los primeros edificios en revelar rasgos del estilo manuelino y por la riqueza de detalles, tanto en el interior como en el exterior.
Sin embargo, una parte significativa del tesoro de la iglesia, concretamente en lo que se refiere a la platería, fue entregada a la «Casa da Moeda» en 1808, hasta que, en 1853, un incendio de enormes proporciones afectó al área hospitalaria y a la propia iglesia, lo que obligó a su cierre temporal, una situación que se agravaría tan solo cinco años después debido a un terremoto.
La importancia que le atribuyeron los estetas e investigadores portugueses del siglo XIX quedó oficializada en 1910, con su inclusión en la primera lista de edificios antiguos clasificados como «monumentos nacionales».
