La iglesia del Santo Sudario, cuya construcción comenzó en 1734, fue concebida inicialmente como un oratorio del "hospital Pazzerelli" más tarde, en 1764, abierto al público con la construcción de la puerta de la calle. La razón de esta apertura se debió a la acción social de la Hermandad, que quería que sus capellanes estuvieran disponibles para la asistir religiosamente a los militares y a sus familias, que residían en los barrios militares, construidos a pocos pasos de la Iglesia.

El diseño de la iglesia fue confiado al ingeniero Ignazio Mazzone, integrante de la Hermandad. Se trata de una nave única con planta rectangular, ligeramente redondeada en las esquinas, que se abre en la parte inferior para formar el presbiterio. A los lados del presbiterio hay dos coros pequeños y dos tribunas decoradas, cerradas por barras de madera talladas artísticamente, donde se sentaban los hermanos y hermanas. En el lado opuesto está la puerta principal que se abre a la calle.

Para la decoración interna de la iglesia, se inició un concurso coordinado por el pintor de la corte real de Saboya, Claudio Beaumont. La decoración arquitectónica ornamental pintada al óleo fue asignada al cuadraturista veneciano Pietro Alzeri, mientras que, por razones pictóricas la persona designada fue el artista de frescos piamontés Michele Antonio Milocco.

La bóveda de la iglesia está pintada hasta la altura con vitrales con motivos arquitectónicos diseñados perfectamente en perspectiva por Alzeri. El centro de la bóveda está cubierto por la gran composición de Milocco al aire libre que representa la Transfiguración.

La apertura hacia la calle requirió la construcción de la fachada basada en un proyecto atribuido a Giovanni Battista Borra, que se inspiró en la Saint-Chapelle de Chambéry del siglo XVII. El campanario diseñado por el ingeniero se levantó entre 1766 y 1770. Perucca y la iglesia se enriquecieron con un altar mayor nuevo, así como con dos altares laterales dedicados a la triste Virgen y a San Giuseppe.

Silla utilizada por Benedicto XVI durante la exposición del santo sudario en el 2010.

El centro de la bóveda está cubierto por la gran composición al aire libre de Milocco que representa la Transfiguración: arriba, el brillante Cristo en Gloria, que extrañamente, pero coherentemente con la devoción al Santo Sudario, presenta los estigmas; debajo, los apóstoles observan asombrados al gran prodigio, bajo una nube opaca.

Cabe señalar que en este fresco hay anomalías con respecto a la narrativa del Evangelio, que sorprenden un poco. Por ejemplo, la figura de Cristo ya muestra signos de la pasión. Y, sin embargo, los apóstoles no son solo los tres mencionados por el Evangelio (Pedro, Juan y Santiago).

Están todos, vemos un grupo a sus pies mientras que los demás están representados en los vitrales a lo largos de la Iglesia. Casi parece una síntesis entre transfiguración y ascensión. Seguramente este es un requisito expresado por el comisionado de la Hermandad.

En el presbiterio se puede admirar una obra maestra en perspectiva de Alzeri. La fachada plana del fondo de la nave se transforma en un pequeño templo pintado al óleo (con la técnica trompe l'oeil), donde las tortuosas columnas de mármol rojo moteado sostienen el marco barroco de mármol negro. En los laterales están pintadas las estatuas de Fe y Justicia realizadas en imitación de mármol blanco.

En el centro, la gran obra maestra Pala del pintor Milocco.

Debajo de la Pala se puede admirar una copia fotográfica a tamaño real del Santo Sudario, tal como aparece hoy después de la intervención conservadora del 2002. El marco dorado en el que está encerrado es el mismo que acogió al Santo Sudario en las exposiciones del 1931 y 1933.

El órgano actual fue construido por los hermanos Collino en 1859, fecha en la cual se construyó simultáneamente el nuevo coro.

El órgano original era de estilo barroco construido por los hermanos Concone en 1759, éste junto con el coro fueron robados y transferidos a la iglesia de los Santos Simón y Judas, durante la ocupación napoleónica.

A fines del siglo pasado, unos años antes de la doble exhibición de la Sábana Santa en 1998 y 2000, se llevaron a cabo importantes restauraciones de los frescos y el retablo, que para esa ocasión se retiró de su lugar. Así se descubrió un fresco en la pared posterior: es una pintura devocional del Santo Sudario, de la cual no se conocen ni el autor ni la razón por la que fue hecha.

El 25 de mayo de 1598, es decir, veinte años después del traslado del Santo Sudario desde Chambéry a Turín, fue erigida canónicamente por voluntad del duque Emanuele Filiberto la "Cofradía del Santo Sudario y la Santísima Virgen de la Gracia".

En la primera mitad del siglo XVIII, el duque Vittorio Amedeo II, al comprender el gran potencial del voluntariado, estableció que las cofradías formalizaran su compromiso en el campo filantrópico-social. Cada Hermandad eligió una actividad vinculada a su historia o tradición antigua. La del Santo Sudario optó por el compromiso con los enfermos mentales, un problema social grave en ese momento, ya que no había instalaciones para su atención y rehabilitación. En 1728, Vittorio Amedeo II aprobó el proyecto presentado para la construcción de un hospital y donó un terreno en el que se construyó la primera estructura para personas con enfermedades mentales de los estados de Saboya. Conocido como el "Ospedale dei Pazzerelli", ocupó una manzana entera. Posteriormente, en 1734, se construyó una capilla dentro del hospital, es decir, un oratorio, que se convertiría en la iglesia actual del Santo Sudario.

Cuando en 1811 el ejército francés de Napoleón ocupó Italia, la Hermandad se suprimió, al igual que varios tronos e instituciones. Los archivos con los testimonios del culto fueron incendiados, los muebles de la iglesia fueron enajenados, se transformó en un campamento para las tropas y los animales, un dormitorio para inmigrantes ilegales y un escondite de productos de origen dudoso.

Después de la caída de Napoleón, el oratorio fue reabierto y, hacia fines del siglo XIX, los muebles fueron restaurados y terminados con la coordinación del arquitecto Angelo Reycend.

Los objetivos de la Cofradía consistían en difundir el culto y la devoción al Santo Sudario, así como la enseñanza sobre el significado del sufrimiento. El fuerte compromiso social de la Hermandad se desarrolló en ese momento en múltiples iniciativas además de la de los enfermos mentales. Entre estas, se destacó la atención a las mujeres solteras, previendo además el establecimiento de dotes para permitir un matrimonio adecuado, como el envío a talleres de los jóvenes.

Hoy la Hermandad continúa con su compromiso de dar a conocer el Santo Sudario. En los últimos años ha creado, en el campo social, "Casa Bordino" un centro de investigación e intervención sobre enfermedades mentales que, basándose en la experiencia tradicional del hospital, tiene la intención de brindar apoyo tanto a las personas afectadas por estos trastornos como a sus familias.

La divulgación del conocimiento del Santo Sudario se realiza a través del Museo y de la labor del Centro Internacional de Estudios sobre el Santo Sudario (CISS por sus siglas en italiano), organismo que reúne a expertos de nivel internacional y al que se confía el estudio y la coordinación de los estudios del Santo Sudario. El CISS ofrece asesoramiento científico al arzobispo de la ciudad, que es el custodio pontificio del Santo Sudario.

El retablo sobre el altar es obra del pintor piamontés Michele Antonio Milocco en plena madurez. Milocco contratado por los Saboya realizó obras de fuerte impacto decorativo y psicológico. En este retablo, el maestro desata toda su habilidad.

Es una composición definitivamente dinámica. En el registro superior, el pintor crea una Trinidad inusual y desafiante. Junto a la iconografía clásica del Padre y el Espíritu Santo, la persona del Hijo se obtiene a través de la representación de la Sábana Santa. A continuación, en el fondo, las mujeres piadosas que se sorprenden observan el sepulcro vacío del que Cristo Resucitado se fue dejando su Santo Sudario. En primer plano, la Virgen de los Dolores a un lado, arrodillada con la corona y el cetro a los pies en un acto de humilde veneración, el Beato Amedeo IX de Saboya. De esta manera, todos los presentes realizan un acto de fe en la resurrección. Cabe destacar que para la casa gobernante la pintura se convierte en un emblema de santidad (Sudario y Beato) que la honra.

Las vigas de la bóveda, hasta la altura de los biseles, están pintadas con motivos arquitectónicos diseñados por Alzeri al óleo (con la técnica trompe-l'oeil), que amplifica su tamaño.

Las figuras, en cambio, son obra de Michele Antonio Milocco. Milocco ha creado una doble cascara. La primera con contornos irregulares descansa en los muros perimetrales. La segunda en el centro se percibe como una gran herida que representa la Transfiguración de Cristo en el Monte Tabor con brillantes túnicas y junto a Moisés y Elijah.

Las grandes ventanas que permitían a los pacientes hospitalizados del Hospital Pazzerelli participar en las funciones. La Hermandad creó la instalación de recepción para personas con problemas de enfermedades mentales.

Placa conmemorativa de la exhibición privada de 1997 en preparación para la exhibición pública de 1998.

Reproducción fotográfica de la efigie de la Virgen de Guadalupe donada al Arzobispo de Turín por el Arzobispo de la Ciudad de México. Se conserva en la iglesia desde 2010 y el 12 de diciembre los integrantes de la Hermandad celebran su conmemoración.

El altar mayor reemplaza al del 1770 que había sido construido con mármol lujoso y estaba decorado con águilas de bronce; el altar fue transportado en la era napoleónica a la iglesia de los Santos Simón y Judas junto con el órgano y la respectiva caja y coro que era rico en esculturas y pinturas prestigiosas.

Con la apertura al público además del altar principal y los dos altares laterales, la iglesia se terminó con la instalación de dos púlpitos que permitieron la predicación del catecismo de forma popular lo contradictorio. Por un lado, el predicador que ilustraba la doctrina verdadera (púlpito derecho) y por otro lo que objetaba y criticaba, y que por supuesto, salía derrotado regularmente.