La chiesa, documentata già dal 1100, sorse probabilmente nello stesso luogo dove esisteva una basilica bizantina distrutta dagli Arabi. Dell'impianto di età normanna a pianta basilicale, chiusa da absidi, si conservano la facciata, il portaletto con i caratteristici capitelli e i primi due ordini della torre campanaria. Successive aggiunte e rimaneggiamenti ne hanno modificato l'aspetto a cominciare dal XIV secolo, epoca a cui e fatto risalire il rosone della facciata. Altri interventi si ebbero nel corso del '600, forse ad opera di Giovanni Vermexio, che costruì poco dopo la vicina chiesa del Sepolcro (1629), pur non risultandone documentazione certa.
Nel 1693 il terremoto creò parecchi danni subiti, determinando necessari interventi di ricostruzione, con l'aggiunta verso la piazza e sul prospetto, del portico (1723-34) attribuito a Pompeo Picherali (crollato nel 1970 e poi ricostruito) al quale si deve pure l'ultimo ordine della torre del 1740.L'interno mostra i rifacimenti di età aragonese, ai quali va ascritto il soffitto ligneo a travature dipinte (XIV secolo), restaurato nel 1940, e i rifacimenti operati nei primi decenni del '600, a partire dal 1626, quando alle colonne si sostituiscono i pilastri e furono aggiunte le cantorie stilisticamente attribuibili a Giovanni Vermexio. I restauri attuati in età moderna hanno poi liberato il tempio da molte sovrastrutture del XVIII e XIX secolo, riconducendolo al primitivo nitore.Posta presso il pilastro destro del presbiterio, vi è la colonna del martirio della Santa, un motivo che si ripete anche nella decorazione della chiesa.
Dietro l'altare vi era collocata la grande tela del "Seppellimento di S. Lucia" dipinta nel 1608 dal Caravaggio, nel suo soggiorno siracusano; il quadro, dopo una serie di importanti restauri, è stato esposto presso la galleria di palazzo Bellomo e recentemente ricollocato nella sua posizione originale, dopo ulteriori interventi di restauro.
Nella speranza di poter collocare le spoglie di santa Lucia in un luogo degno della sua santità, si trassero nel seicento dei proventi da una delle gabelle più cospicue del tempo con cui si avviarono i lavori del tempietto ottagonale seminterrato, di cui fu incaricato l'architetto Giovanni Vermexio. La fabbrica fu però interrotta quando sembrò alle massime autorità militari, nella persona del duca di Albuquerque, che l'edificio potesse rappresentare, nell'ottica della cittadella militare, la possibile sede di postazioni di artiglieria, in caso di assedio.
All'interruzione seguirono prescrizioni precise che determinarono la riduzione dell'opera e l'attuale assetto del tempio. Esso presenta un ritmo di contropilastri coronati da capitelli corinzi arricchiti da esuberante decorazione a conchiglie e mascheroni, interrotto da superfici piane che accolgono in modo alterno il corpo delle nicchie e lo slancio dei vani d'ingresso. Il coronamento è rappresentato dalla "cuboletta" prescritta "militari manu". L'interno, ricoperto a cupola, presenta un unico altare in corrispondenza del loculo sepolcrale, ed accoglie la statua di santa Lucia giacente, scolpita da Gregorio Tedeschi (1634).
Anche questa statua durante l'assedio spagnolo della città nel 1734-35, secondo la tradizione ebbe una sudorazione miracolosa, "quasi visibile segno che la Santa Patrona dolorasse dell'imminente travaglio della diletta sua patria".