El inmueble consta de una sola nave, con cúpula sin tambor sobre pechinas y bóveda de cañón con lunetos. Sólo el interior de la cúpula, la bóveda del presbiterio y la bóveda que sostiene el coro, están ricamente adornadas con yeserías manieristas. En el ábside hay una pintura al óleo sobre tela "que imita arquitectura neoclásica con resabios barrocos", al parecer obra del artista poblano José Manzo y Jaramillo. Frente a ella se eleva un altar exento en cuya cúspide aparece una talla escultórica de San Ildefonso, titular del templo, con su vestido episcopal, mita, báculo y casulla. La fachada, hundida con respecto a la fachada del templo de San Marcos, se conserva íntegra y es una prueba más de la influencia de Serlio y Jacobo Barozzi da Vignola en la arquitectura poblana del siglo XVII.

La capilla de San Ildefonso fue planeada para dar servicio espiritual al hospital de indios que al iniciar la tercera década del siglo XVII mandó construir el obispo Ildefonso de la Mota y Escobar para curar a los naturales de todas la enfermedades, y de la sífilis a los españoles y a "otras personas". La obra tanto del hospital, convertido después en el colegio jesuita de San Ildefonso, como de la iglesia la contrató en 1622 con el capitán sevillano y maestro arquitecto Francisco de Aguilar. La fábrica de la iglesia se hizo junto a la ermita de San Marcos en los solares y casas que el obispo había comprado para el hospital.