Каменное сооружение храма, которое сохранилось до наших дней, появилось на месте своего деревянного предшественника в 1826 году. Это была типичная католическая церковь того времени, вторая в Бердичеве по величине, после костела ордена «Босых кармелитов». Ее здание своими архитектурными формами похоже на костел Джезу в Риме, — это трехнефная, четырехстолпная базилика в стиле барокко. При возведении стен использовалась кирпичная кладка.

В довоенное время костел был закрыт, а все его ценности, в том числе, и орган, были изъяты в помощь голодающим. В годы войны, в оккупированном немцами Бердичеве, костел нес службу. Спустя несколько лет после войны, его превратили в склад, а затем переоборудовали в детскую спортивную школу. От спортивной деятельности в костеле остались следы: до сих пор купол закрыт перегородкой — потолком с балками. Но есть и положительный факт: благодаря тому, что в нефе находился спортзал, сохранился старинный кафель на полу, который был просто закрыт деревянным настилом. Новую жизнь костел начал в 1991 году, хотя богослужения в нем начались годом позже.

На своем веку костел видел многих выдающихся людей. Многие из них в храме крестились, венчались... В 1850 г. здесь состоялось венчание Оноре де Бальзака с польской графиней Эвелиной Ганской. Об этом событии говорит памятная доска с барельефом Великого французского писателя на фасаде храма, установленная в честь 200-летия со дня его рождения.
В 2008 году напротив костела Святой Варвары началось строительство музея Оноре де Бальзака,.

Рядом с костелом находится грот Девы Марии и юбилейный крест в честь 240-летия парафии Святой Варвары. Приятное впечатление оставляет ухоженная территория храма: дорожки выложены плиткой, множество цветов, рассчитанных на цветение с ранней весны и до поздней осени.

В настоящее время костел действующий. Службы проходят ежедневно в 8 и 20 часов. В воскресенье — каждые два часа.