La chiesa fu eretta tra il 1769 e il 1772, sulle rovine di una chiesa più antica, per volontà delle monache agostiniane, su disegno dell'architetto torinese Filippo Nicolis di Robilant (1723-1783). Fu consacrata il 21 settembre 1772 dall'arcivescovo Francesco Lucerna Rorengo di Rorà. Nel 1800, durante il Periodo Francese, in seguito alla soppressione dell’Ordine, la chiesa e il monastero furono ceduti alla Pia Opera della Mendicità Istruita (poi  Opera Munifica Istruzione) e adibiti a sede della "scuola di carità" per i poveri. L'OMI (Opera Munifica Istruzione) è una IPAB (Istituto Pubblico di Assistenza e Beneficenza), sorta a Torino alla metà del 1700, che si è sempre occupata di formazione dapprima indirizzata ai mendicanti, in seguito indirizzata alla gestione di scuole professionali ed elementari gratuite, nel 1995, con la chiusura delle ultime scuole elementari, ha adeguato il proprio intervento educativo con nuove attività.

La facciata della chiesa di Santa Pelagia presenta un pronao coronato da un timpano sostenuto da quattro colonne con capitello ionico e dall'esterno sono appena intuibili la complessità volumetrica e la grande eleganza degli spazi interni. La chiesa è a pianta centrale, composta da un cerchio su cui si innestano quattro vani ellittici, uno dei quali, più accentuato, è il presbiterio con l’attiguo coro. L'attuale decorazione parietale presenta stilemi barocchi;  si sono susseguiti interventi pittorici dalla seconda metà dell'Ottocento fino agli anni Venti del Novecento.

Sugli altari i dipinti di Antonio Blanchery (1735-1775): sull'altare maggiore - La Vergine che incorona S. Pelagia con S. Agostino e S. Monica; sugli altari laterali, a sinistra, S. Francesco di Sales in adorazione del S. Cuore e, a destra, San Luigi Gonzaga in contemplazione del Crocefisso.

Sulla sinistra del vano centrale si apre l'ampio coro di forma semiovale con gli stalli in noce, a doppio ordine di sedili, sormontati da una balconata lignea riccamente decorata. Nel coro si trova il dipinto di Vittorio Amedeo Rapous (1728-1800) che rappresenta Il Beato Amedeo di Savoia tra i mendicanti che intercede presso la Vergine con S. Filippo Neri e S. Vincenzo de Paoli, donato nel 1780 da Vittorio Amedeo III alla Mendicità Istruita, l’opera pia alla quale passò la chiesa dopo la soppressione del convento.

Il 13 giugno 1943, durante una incursione aerea inglese, una bomba cadeva senza esplodere nella chiesa, sfondando il tetto e la volta dell'abside, demolendo un tratto di pavimento e danneggiando le tele dell'altare maggiore e della cappella laterale sinistra.