Posta come fondale a via Santa Croce, la chiesa fu eretta tra gli anni 1769 e 1772, sopra le rovine di una chiesa più antica, per volontà delle monache agostiniane, su disegno dell'arch. torinese FILIPPO NICOLIS DI ROBILANT (1723-1783). La chiesa fu consacrata il 21 settembre 1772 dall'arcivescovo torinese Francesco Lucerna Rorengo di Rorà ma, nel 1800, le autorità francesi soppressero il monastero affittandone i locali alla Regia Opera della Mendicità Istruita (ora Opera Munifica Istruzione) per adibirli a sede della "scuola di carità" per i poveri.
Suggestivo è il commento di Eugenio Olivero:
"La chiesa di Santa Pelagia, per la sua architettura, per la decorazione a stucchi e colori, per le sculture degli altari e del coro e per i quadri, rappresenta in modo sintetico, schietto e grazioso l'aura artistica che ispirava Torino nella seconda metà del Settecento"
(E. OLIVERO, La chiesa di Santa Pelagia, in "Torino", anno XII, n° 2, p. 54).
Entrando nella chiesa è possibile percepire la ricchezza e la grande eleganza degli spazi la cui complessità volumetrica è appena intuita all'esterno.
La FACCIATA presenta un pronao coronato da un timpano sostenuto da quattro colonne con capitello ionico. Il linguaggio espressivo usato dal progettista richiama interpretazioni classicheggianti che vanno oltre il barocco classico.
L'AULA della chiesa è a pianta centrale coperta da una cupola a cui si aggregano quattro spazi ellittici destinati ad accogliere il presbiterio, le due cappelle laterali e sullo sfondo l'organo. Le principali fonti di luce sono costituite da finestroni semiovali sulle cappelle e l'ingresso. L'impianto architettonico è arricchito da un doppio gruppo di lesene corinzie sormontate da una ricca trabeazione. Una decorazione a fascioni raccorda la cupola ai pilastri; finestrelle ad oculo si inseriscono tra i fascioni alla base delle cupola. L'attuale decorazione parietale presenta stilemi barocchi; è il risultato di interventi pittorici che si sono susseguiti a partire dalla seconda metà dell'Ottocento fino agli anni Venti del Novecento.
Sugli altari i dipinti di Antonio Blanchery (1735-1775) raffiguranti: 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. In alto, sulla destra del presbiterio, una grata nasconde l'ampio salone in cui il Re Carlo Alberto, il 1 ottobre 1831, salito al trono da pochi mesi, sostò con la sua corte per assistere alle funzioni religiose dopo la visita alla Scuola dei poveri.
Sulla sinistra del vano centrale si apre l'ampio CORO di forma semiovale dove le monache assistevano, separate dal popolo, alle funzioni religiose; gli stalli in noce, a doppio ordine di sedili con parapetto, sono sormontati da una balconata lignea riccamente decorata ai cui due lati opposti si trovano, da una parte un pregevole bassorilievo in papier marché raffigurante l'Annunciazione (G.B. RAJNERI E G. CANTARELLO, 1773) e dall'altra il grandioso 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.
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.