Gdy budowano świątynię, nie istniały jeszcze Planty, a ulica zamknięta była murami obronnym. Dwukondygnacyjna fasada kościoła, poprzedzona kamiennymi schodami, ustawiona jest stosunkowo blisko ulicy. Została ona tak zakomponowana przez architekta, by być jak najlepiej widzianą, nie zdeformowaną przez skróty perspektywy, dla patrzącego od strony ulicy Św. Anny.
W dolnej kondygnacji jest podzielona na siedem pól kompozytowymi kolumnami i zdwojonymi pilastrami, na których wspiera się przełamane belkowanie z gzymsem, attyką i przerwanym przyczółkiem na osi. Główne wejście do świątyni umieszczone jest na osi fasady, w półkoliście zamkniętej wnęce, ujętej w dwie pary kolumn, z portalem, wykonanym około 1695 roku, prawdopodobnie według projektu Baltazara Fontany. Portal jest prostokątny, profilowany, zwieńczony przyczółkiem wspartym na konsolach i przechodzącym w ozdobne esownice. Między nimi widzimy tablicę, umieszczoną na pamiątkę konsekracji kościoła w 1703, a powyżej półkoliste okno.
Baltazar Fontana to kolejny wybitny twórca, który brał udział przy budowie tej kolegiaty i wielu innych dzieł w Krakowie i w Polsce. To włoski rzeźbiarz i architekt, który żył i działał w latach 1661-1733, a w Polsce pojawił się po raz pierwszy pod koniec XVII wieku - wówczas wykonał dekoracje kaplicy grobowej Morsztynów przy kościele farnym w Wieliczce pod Krakowem i podjął pracę przy dekoracji kolegiaty św. Anny. Z czasu jego pracy w św. Annie, zachowały się dwa modele, które były pierwowzorem realizacji. Jeden z zachowanych modeli to model ołtarza świętego Józefa, który dziś pełni w kolegiacie funkcję relikwiarza (relikwiarz św. Jana Kantego w nowosądeckim klasztorze klarysek). Drugi model — drewniany model hełmu wieży przechowywany jest w zbiorach Muzeum Uniwersytetu.
Wracając do fasady kościoła, oprócz wejścia głównego, znajdują się tam również dwa wejścia boczne, ujęte w prostokątne portale. Obydwa zwieńczone są przerwanym belkowaniem, z dekoracyjnymi, stiukowymi płaskorzeźbami nad nim oraz niedużymi, prostokątnymi oknami powyżej. Na płaskorzeźbach widzimy siedzące postacie aniołów, skierowane w stronę głównego wejścia. W skrajnych polach dolnej kondygnacji fasady znajdują się hemisferycznie zamknięte nisze z ustawionymi posągami świętych: Bernarda i Jana Kantego.
Górna kondygnacja fasady jest trzypolowa, a jej pola są wydzielone przez zdwojone pilastry kompozytowe, na których opiera się belkowanie. W polu środkowym umieszczono wysokie, prostokątne okno, zamknięte łukiem segmentowym, ujęte w dekoracyjne, profilowane obramienie a powyżej, tuż nad oknem umieszczono w prostokątnej wnęce niedużą płaskorzeźbę ukazującą Matkę Boską z Dzieciątkiem, wykonaną w 1703 roku.
W przyczółku fasady widzimy okrągłe okienko z symbolem Opatrzności Bożej. Przy pilastrach flankujących środkowe pole górnej kondygnacji fasady ustawione są dwie pary dekoracyjnych wazonów a w polach bocznych - dwa posągi: św. Kazimierza po lewej stronie i św. Floriana po prawej.
Elewacje boczne kościoła są rozczłonkowane za pomocą pilastrów toskańskich w dolnej kondygnacji prezbiterium oraz południowo - wschodniej i północno - zachodniej ścianie transeptu. Prezbiterium i ramiona transeptu zamknięte trójkątnymi szczytami z owalnymi oknami. Ściany boczne nawy głównej zostały wzmocnione szkarpami. W krzyżu kościoła znajduje się ośmiopolowa kopuła, której projekt wzorowany był na kopule innego krakowskiego barokowego kościoła: Św. Piotra i Pawła. Kopuła wspiera się na ośmiobocznym od zewnątrz i okrągłym od wewnątrz bębnie z oknami ujętymi w uszate, dekoracyjne obramienia i zamkniętymi łukiem segmentowym. W zwieńczeniu kopuły widzimy latarnię z oknami zamkniętymi półkoliście. Również nad środkowymi kaplicami umieszczono kopułki, ale są ona częściowo wtopione w dachy. Generalnie dachy i kopuły zostały wykonane w 1. połowie XVIII wieku, i do dziś zachowane są pochodzące z tego czasu wiązania dachowe. Pod kościołem znajdują się krypty: pod kaplicami od strony południowo - wschodniej znajduje się krypta zwana akademicką, a w krzyżu kościoła - krypta zwana kolegiacką.