Nell'ambizioso intento di realizzare il più importante edificio sacro dei Seicento modenese i Teatini poterono far affidamento sull'appoggio della corte estense e si rivolsero ad architetti e scultori come Bartolomeo Avanzini o Tommaso Loraghi che esercitavano la loro attività per gli Estensi, in particolare per i due nuovi edifici che Francesco I stava facendo costruire: il Palazzo Ducale di Modena e la delizia di Sassuolo.

La planimetria della chiesa con le cappelle, destinate ai padri teatini per la celebrazione simultanea della messa, disposte ai lati di un'unica grande navata a sviluppo longitudinale, segue l'impianto della chiesa generalizia dell'ordine teatino di Sant'Andrea della Valle a Roma.
La navata, la cupola, i transetti e l'abside della chiesa erano decorati da affreschi senza soluzione di continuità.

A causa della bomba che il 13 maggio 1944 ha distrutto il presbiterio e il coro sono andati irrimediabilmente perduti in buona parte gli affreschi dell'abside e tutti quelli della cupola che nel 1671 erano stati commissionati dai Teatini a Sigismondo Caula. Nella parte centrale della cupola era raffigurata la gloria di San Vincenzo condotto in volo da angeli verso la Trinità e nei pennacchi le virtù dell'ordine teatino.
I recenti interventi di pulitura delle superfici affrescate della volta e delle pareti hanno dato nuova luminosità al magnifico complesso ornamentale dell'ampia navata centrale.

La decorazione delle pareti è divisa in due ampie fasce orizzontali da un cornicione di stucco in forte aggetto progettato per i Teatini intorno alla metà del Seicento dall'architetto romano Bartolomeo Avanzini, che era stato chiamato a Modena dal duca Francesco I per essere nominato architetto di corte dal 1634.
I decori in stucco sono avvicinabili all'apparato plastico dell'Appartamento stuccato nel Palazzo Ducale di Sassuolo. Fu quindi la stessa équipe a lavorare in San Vincenzo, importante conferma del rapporto privilegiato che legò gli Estensi ai Teatini.
Al di sopra degli archi che danno accesso alle cappelle coppie di angeli in forte rilievo vivacizzano la parete con la loro mossa gestualità e le vesti svolazzanti.

Nella penombra delle cappelle, illuminate di luce riflessa proveniente dall'ampia navata, hanno riacquistato nuova visibilità i preziosi inserti di colore delle tele dipinti, degli affreschi e dei marmi policromi.

Frutto della collaborazione fra l'architetto romano Bartolomeo Avanzini e il lapicida lombardo Tommaso Loraghi, al quale si affianca lo scultore carrarese Giovanni Lazzoni, il complesso del tabernacolo e dell'altare maggiore configura l'episodio più spettacolare della committenza estense nei riguardi della chiesa teatina. Ammirato dai contemporanei per lo sfavillio e la ricchezza dei marmi e per la sapiente architettura, il tabernacolo doveva costituire uno dei tanti veicoli artistici attraverso i quali Francesco I, con una politica artistica calibrata su Roma e le grandi capitali europee, propagandava la sua immagine del "prencipe et eroe cristiano".

Le statue più notevoli non sono quelle miniaturistiche e un po' ripetitive poste alla base del tamburo del tabernacolo-tempietto raffiguranti il Redentore e santi teatini, bensì quelle ai lati dell'altare: un beato e un santo che furono prìncipi di virtù al servizio della chiesa e a gloria perenne del loro casato. Il beato Amedeo apparteneva, come la madre di Francesco I, Isabella, alla casa Savoia e San Contardo, comprotettore di Modena, era un estense.

La chiesa ospita inoltre la Cappella funebre degli Estensi e degli Austro-Estensi, fatta costruire da Francesco IV nel 1836 per accogliervi le spoglie dei duchi sparse in varie chiese di Modena.