La chiesa faceva parte del convento domenicano adiacente, sorto nel primo ventennio del Cinquecento sul sito del preesistente Ospedale dell'Annunziata. Il convento fu trasformato in palazzo nel corso dell'Ottocento, quando fu acquistato dai baroni vastesi Genova Rulli per farne la propria residenza. L'intitolazione a S.Filomena fu data successivamente al restauro della chiesa, iniziato nel 1846 su progetto dell'architetto Nicola Maria Pietrocola e ultimato nel 1860. Le decorazioni interne risalgono agli inizi del Novecento e all'intervento dell'artista fiorentino Achille Carnevale. La chiesa si presenta con un impianto a tre navate suddivise in sette campate complessive e interamente coperta con volte, tranne che nella terminazione a capanna. La facciata è la diretta prosecuzione di quella del palazzo adiacente, presentando fasce bugnate al primo livello e superfici piane in quello superiore, solo arricchito dai riquadri di mattoni che perimetrano le aperture e scandiscono le parti.