Świątynię odbudował i przebudował w stylu rokokowym w latach 1743–1744 Bernard Meretyn.
Kościół św. Agnieszki był jednym z pierwszych w Polsce zbudowanych na planie elipsy. Stanowiła ona jego centralną część i poprzedzona była trzynawowym korpusem i otoczona kaplicami połączonymi w obejście. Ponad budowlą, na sześciu połączonych arkadowo filarach, umieszczono imponującą, monumentalną kopułę. Od strony ul. Kopernika znajdował się portyk kolumnowy. Świątynia była ozdobiona wazonami rokokowymi i parapetami a jej wyposażenie stanowiło 9 ołtarzy.
Można śmiało stwierdzić, że obok katedry św. Jura i kościoła Dominikanów, kościół św. Agnieszki był najładniejszą osiemnastowieczną świątynią we Lwowie.
W 1772, w momencie zajęcia Lwowa przez Austriaków w wyniku I rozbioru Polski w konwencie żyło 38 zakonnic.
W 1782 wyniku reform józefińskich przeprowadzonych przez cesarza Józefa II władze austriackie zlikwidowały zakon karmelitanek trzewiczkowych.
W 1783 gmachy poklasztorne przejęło seminarium łacińskie „Generalne Studium Duchowne”, które po 10 latach przeniosło się do dawnego klasztoru karmelitanek bosych. Na jego miejsce wprowadziły się instytucje wojskowe, m.in. magazyny wojskowe i piekarnia.