La planificación de un templo para Santa Filomena en Santiago, se remonta a la época en que Fray Andresito, gran devoto de la Santa, hizo las primeras gestiones con las autoridades para construir una iglesia en su nombre.

Sin embargo, recién en el año 1892 se concreta el levantamiento de la iglesia del Patronato Santa Filomena, como respuesta a la Encíclica Rerum Novarum promulgada por el Papa León XIII en el año 1891, con el fin de evangelizar a los obreros y a sus familias.

En el año 1889 Eugène Joannon llega a Chile contratado por el gobierno de la época para realizar algunas obras públicas. Después decide quedarse en el país y es contratado como el arquitecto del Arzobispado. En este cargo asume la proyección de muchas iglesias, entre ellas la Iglesia de Santa Filomena en el año 1892, la cual se terminó de construir en 1894, gracias a la labor del Padre Ruperto Marchant Pereira, quien habría sido el primer párroco de la iglesia.

La Iglesia de Santa Filomena es de estilo neogótico y ricamente ornamentada en su interior. Su arquitectura se destaca en el barrio en que está emplazada, siendo un hito arquitectónico y cultural en una zona atiborrada de construcciones de baja altura, destinadas al comercio.

Después del terremoto de febrero de 2010 sufrió algunos daños, los cuales se han ido reparando.