El edificio de la Iglesia del Sagrado Corazón se integra en el conjunto formado por la residencia y la propia iglesia de la Compañía de Jesús en el Ensanche. Popularmente se la conoce como la “Iglesia de la Residencia”. Se dispone adosada por su cabecera a la residencia, con una fachada lateral hacia la calle Canciller Ayala y la principal con el acceso por la Alameda Urquijo. 

La compañía de Jesús ya había tenido presencia en Bilbao durante el siglo XVII y parte del XVIII, en la Plazuela de Santiago y en la Iglesia de los Santos Juanes y Colegio de San Andrés en la calle de la Cruz, en el Casco Viejo. Y vuelve a tenerla al iniciarse el nuevo Ensanche, decidiendo instalar a finales del siglo XIX su nueva residencia con iglesia adjunta.

Por esa época se extiende la tendencia historicista del neomedievalismo propiciada desde Francia por parte de Viollet le Duc, que marca las pautas de las nuevas construcciones especialmente las de carácter religioso. El arquitecto José María Basterra adopta esa corriente arquitectónica, trazando en 1887 los planos de la Residencia e Iglesia a construir en la Alameda Urquijo. En 1888 se concluye la residencia, finalizando las obras de la iglesia años más tarde.

El templo se construyó en piedra y ladrillo, asumiendo una concepción neogótica con el interior ornamentado en estilo bizantino con acusada policromía. La composición general se dispone en varios niveles horizontales, incluye ventanales laterales con vidrieras, y un rosetón en la fachada principal. Tiene planta de tres naves, más ancha y elevada la central que las laterales, cabecera en ábside poligonal, arcos apuntados y bóvedas de crucería.

Ha sufrido algunos cambios en su configuración externa y a finales del siglo XX se desmontaron los pináculos originales de las dos torres, tras el peligro ocasionado por desprendimiento de algunas piedras, procediendo también a una limpieza de su fachada. De manera un tanto curiosa con ello la iglesia ha adquirido una nueva e inédita perspectiva urbana desde la Gran Vía: su volumen se integra más en su entorno, dialogando de manera especial con el edificio de viviendas colindante proyectado por el arquitecto Manuel I. Galíndez, también de piedra y ladrillo.

Insistiendo en la euforia neomedievalista de la época, José María Basterra proyectó numerosos edificios religiosos en Bilbao y Bizkaia, como la Iglesia de San José de los Padres Agustinos y la torre de la Basílica de Begoña. También intervino en los proyectos de los nuevos edificios de la Universidad de Deusto (Literaria y Comercial).

Durante los años 2013 y 2014 la iglesia ha sido sometida a una nueva rehabilitación exterior e interior.