Det har vært kirke på samme sted siden 1560-årene. Seks ganger er kirkebygningene ødelagt av brann, siste gang i 1764.
Den nåværende kirken ble ferdig i 1779. Deler av det eldre bygg er innmurt i tårn og vegger. Den drivende kraft bak gjenoppbyggingen var den energiske sognepreste Poul Rønn (jfr. Poul Rønns gate). Arbeidet ble overlatt til byggmester Christian Ludvig Clementz (1724-1800), som tegnet og bygde flere offentlige bygninger i Gamlebyen på den tid.
Kirken er en korskirke, bygd av teglsten med puss utvendig og innvendig. Lengden er 40,5 m, bredden 30,5 m. Den rommer 650 sitteplasser. Tårnet med spir er 41 m høyt. Den tidligere pyramideformede tårnhatt ble i 1874 erstattet med den nåværende tårnhjelm med spir. I tårnets 2. etg. er innredet møterom.
Ved en omfattende restaurering i 1960-årene, ledet av arkitekt Bjørn Ianke (1919-1991), fikk interiøret tilbake sitt opprinnelige verdige preg av garnisonskirke, men likevel med bibehold av enkelte senere tilførte enheter, bl. a. Per Vigelands 4 glassmalerier fra 1942 og 1946. To er plassert i koret, to i østre vegg. Alle har motiver fra Det nye testamentet.
Veggene har lyse farger over mørkere, lavt brystpanel. Taket er hvelvet, blåmalt med gullstjerner. Alterpartiet er bygd opp i to etasjer med joniske søyler, kronet av treenighetssymbolet og Christian VII’s og Olav V’s kronede monogrammer. Det sentrale alterbilde «Nattverden» er malt av J. S. Brøgger (1747-93) i 1779. Dette kirkens opprinnelige alterbilde kom på plass igjen i 1966 etter å ha vært borte fra kirken i nesten hundre år. Alterbildet i denne tiden var det maleriet som nå er plassert i våpenhuset, «Kristi oppstandelse» av den svenske maler M. E. Winge (1825-96).
Kirken i Gamlebyen ble frem til 1883 kalt Fredrikstad kirke.
På samme sted hvor kirken ligger i dag, ble det allerede på 1560-tallet reist en kirke. Denne kirken og de fem etterfølgende kirker ble alle ødelagt av brann, den siste i 1764.
Kirken som ligger her i dag sto ferdig i 1779.
Rester av den forrige kirken er innmurt i den nåværende kirken.