La chiesa sorge all’interno dell’area un tempo occupata dalla Cittadella, imponente fortezza voluta da Emanuele Filiberto (1528-1580) a difesa della città. Nel 1856 la Cittadella è smantellata ad eccezione del Mastio e la vasta area viene urbanizzata. E’ preceduta da un piccolo giardino chiuso da una cancellata in ferro, la facciata in stile eclettico si ispira a modelli bizantineggianti. Sopra il portale una nicchia accoglie la statua di Santa Barbara ed ai lati quelle di San Solutore e San Massimo. Entrando a destra si trova l’altare della Madonna di Pompei (1889). La pala dedicata alla Madonna del Rosario è del pittore Enrico Reffo (1831-1917); seguono l’altare del Crocifisso, che conserva una reliquia di San Leonardo Murialdo, e il  monumento sepolcrale con il suo busto innalzato nel 1926 da Anacleto Barbieri. Due bassorilievi ricordano la sua opera di carità per i ragazzi poveri e abbandonati. San Leonardo Murialdo è stato tumulato qui nel 1917, le sue spoglie sono state poi traslate al Santuario di Nostra Signora della Salute, in via Vibò 24, nel 1971 dopo la sua canonizzazione. Nella cappella successiva si trova un’opera di arte contemporanea, una lastra di rame che raffigura la Madonna delle Spine (1974). L’ultimo altare è dedicato al Sacro Cuore: la pala d’altare (1888) è opera del pittore Enrico Reffo. Infine nell’abside è dipinta in un ovale Santa Barbara, opera del pittore Giuseppe Monticelli (1841-1878).

La chiesa di Santa Barbara fu colpita durante il bombardamento notturno dell’8 agosto 1943, effettuato dalla RAF con bombe di grosso e grossissimo calibro. Fu gravemente danneggiata la cupola e lesionato il campanile.