La Chiesa delle Stimmate è collocata in posizione pressoché baricentrica, ai margini meridionali del parco storico del complesso dell’ex Ospedale psichiatrico, in asse col padiglione principale d’ingresso. La planimetria del fabbricato risulta particolarmente regolare e simmetrica e si sviluppa secondo una pianta quadrangolare. L'edificio è composto da un’unica navata che termina con un corpo absidale rettangolare, rinfiancato a destra e a sinistra da due piccoli ambienti adibiti a sacrestia, più bassi volumetricamente. Il tetto dell’aula è a capanna, mentre le coperture dell’abside e dei corpi laterali sono a falde che si raccordano alle murature più alte della navata. Il manto di copertura è in coppi di laterizio. La facciata principale della chiesa si caratterizza per il portale di ingresso centrale, ad arco a tutto sesto definito da una cornice interna di pietra artificiale e da una cornice più esterna in mattoni a vista. L’intera facciata è segnata da fasce modanate in lieve rilievo che definiscono il sotto cornicione, gli anteridi e le specchiature di base. Sempre in facciata, il cornicione e il tetto risvoltano orizzontalmente per un breve tratto, chiudendo superiormente la modanatura delle lesene laterali. Sul colmo del tetto, leggermente aggettante dalla muratura della facciata, si erge la torretta campanaria. Ha una pianta quadrata ed è sorretta da quattro archetti definiti da profili in pietra artificiale, con copertura in coppi. Una croce metallica è fissata in cima al tettuccio del piccolo campanile. In alto sulla facciata, poco sotto il campanile, si apre un oculo circolare ricavato in una cornice modanata. Lungo i fianchi dell’aula si aprono tre ampie finestre ad arco definite da cornici e davanzali lineari e modanati. Altre finestre si aprono sui due ambienti laterali. Due piccoli oculi sono posti in alto, ai lati del corpo absidale. Dagli anni Trenta ad oggi l’edificio non ha subito cambiamenti distributivi, né importanti interventi di manutenzione.
Nel 1901 viene istituita una commissione per l’attuazione del progetto per la costruzione di un complesso ospedaliero psichiatrico a Gorizia. La commissione è composta dal fisico A. Luzzatto, dal consulente sanitario E. Fratnich, dall’ingegnere capo J. Wojteshovsky, dall’ingegnere A. Glessig e dal professore K. Hugues, che avrebbe seguito le fasi di progetto. I lavori di costruzione vengono diretti dall'ingegnere Artur Glessig. Il polo psichiatrico, realizzato tra il 1905 e il 1908, viene inaugurato nel 1911. Il comprensorio ospedaliero, ridotto in macerie nel corso del primo conflitto mondiale, si componeva di oltre venti edifici a padiglione immersi in un parco e tra di loro collegati da strade e percorsi gerarchicamente organizzati. A partire dai primi anni Venti si inizia a studiare la futura riqualificazione del plesso ospedaliero. Nel luglio 1927 l'architetto Silvano Baresi riceve l'incarico per la progettazione del nuovo polo psichiatrico. Baresi, tenendo conto dei resti e delle parti dei fabbricati ancora esistenti, propone uno schema planimetrico che ricalca sostanzialmente l'impianto originario. I lavori di ricostruzione si collocano tra il 1928 e il 1933, anno dell'inaugurazione dell'ospedale. La piccola chiesa dell’ospedale, nel corso della prima guerra mondiale viene probabilmente danneggiata, come tutti gli altri edifici del complesso sanitario. Anche questo edificio viene riprogettato e recuperato da Baresi. Oggi i padiglioni di quello che fu l’Ospedale Psichiatrico Provinciale ricadono all’interno del Parco Basaglia, un luogo di pregio non solo storico e architettonico ma anche ambientale, data la ricchezza del suo patrimonio arboreo. La proprietà dell'intero comprensorio ospedaliero rimane invariata fino agli anni Ottanta, dopo un lungo periodo di oblio. Nel 1982 l'area dell'ex Ospedale Psichiatrico viene frazionata. Circa i due terzi passano all'USL (oggi Azienda Sanitaria Universitaria Giuliano Isontina - ASUGI) ed un terzo rimane all'Amministrazione provinciale. Nel 1995 vengono avviati lavori di trasformazione e manutenzione degli stabili destinati al Centro di Salute Mentale. Da alcuni anni è allo studio un ampio progetto per la rigenerazione urbana in chiave storico-culturale del Parco Basaglia di Gorizia. Nell’elaborazione di questo piano di recupero e di valorizzazione sono coinvolti tutti i soggetti pubblici proprietari e gestori che ricadono nella vasta area del Parco Basaglia (Azienda Sanitaria, Regione Friuli Venezia Giulia, ERPAC, Comune di Gorizia e UTI Collio-Alto Isonzo). La chiesetta dell’ex ospedale è di proprietà dell’Azienda Sanitaria e mantiene la funzione di luogo di culto.
L'edificio presenta fondazioni in calcestruzzo. Murature portanti di elevazione in mattoni pieni, intonacate. Il tetto è a falde su struttura di legno; manto di copertura in coppi di laterizio.