Di origini trecentesche, la chiesa venne trasformata nel Seicento diventando il Pantheon dei duchi e delle duchesse d’Este.
Sorge dove in passato esisteva una chiesa assegnata nel 1273 alla congregazione degli Apostolini, i quali rifondarono il complesso conventuale dopo essersi fusi con l’ordine degli Eremitani. La ricostruzione ebbe inizio nel 1338 e la chiesa venne intitolata a Sant’Agostino. Del primitivo edificio resta la struttura e il fianco est prospiciente Via Sant’Agostino. Della decorazione trecentesca rimane la Madonna col Bambino di Tomaso da Modena, un affresco che inizialmente si trovava all’esterno della chiesa. Nel 1659 vennero celebrati i funerali del duca Francesco I d’Este, realizzando un grandioso apparato effimero.
Quando nel 1662 morì il duca Alfonso IV, la consorte Laura Martinozzi modificò stabilmente l’interno della chiesa per trasformarla in Pantheon Atestinum, tempio della gloria eterna degli Estensi e dei sovrani europei legati alla Casata, secondo il programma iconografico del letterato di corte Domenico Gamberti. Senza intaccare la struttura dell’edificio, l’architetto Giovanni Giacomo Monti ridisegnò l’interno con un apparato in stucco disponendovi 47 statue, 12 busti e 12 rilievi. Furono coinvolti gli artisti di corte Olivier Dauphin, Sigismondo Caula, Francesco Stringa, Lattanzio Maschio e Giovanni Lazzoni. Sante regine e imperatrici sfilano nelle nicchie lungo la navata accompagnate da un’iscrizione e da un rilievo che ne illustra l’azione; negli ovali soprastanti sono i re, commentati da figure allegoriche sui timpani corrispondenti; nel transetto e nel presbiterio i santi estensi sono sovrastati da busti di papi e da figure allegoriche sorreggenti medaglioni con vescovi.
Nei cassettoni del controsoffitto sono i dipinti con l’apoteosi di alcuni santi: S. Margherita di Ungheria, la Gloria di S. Enrico imperatore, la Beata Beatrice d’Este al cospetto di Cristo, Cristo in gloria affiancato dalla Vergine e da S. Agostino, S. Benedetto da Norcia e la gloria di S. Domenico di Guzman. Sull’arco del presbiterio Francesco Stringa affrescò la Gloria di S.Francesco di Sales, protettore di Laura Martinozzi. Di Stringa è anche la Pala coi Santi Agostino, Guglielmo, Monica e Tommaso da Villanova che venerano l’immagine di Maria, che fungeva da cornice della trecentesca Madonna col Bambino di Tomaso da Modena, all’altare della Madonna della cintura. Nel 1785 in una cappella della chiesa venne collocato il Compianto su Cristo morto di Antonio Begarelli. Di Begarelli è anche il busto di Carlo Sigonio sopra il suo luogo di sepoltura sul lato sinistro del presbiterio. Su uno degli altari di sinistra si trova una tela di Adeodato Malatesta che raffigura S.Antonio da Padova. Dal 1881 la chiesa è di proprietà del Comune di Modena.
A conclusione dei restauri dopo il sisma del 2012, la chiesa nel 2018 è stata riaperta al pubblico.
