El templo de planta basilical, alza sus tres naves elevando ligeramente la central, con crucero saliente que da lugar a dos capillas colaterales y una amplia capilla mayor, con las sacristías correspondientes. Exteriormente, no obstante tal distribución, da la sensación de un solemne bloque cúbico, El sistema de aparejo en los muros es la base del mampuesto tradicional en la arquitectura canaria, con piedra y barro, debidamente enfoscado y enlucido, limitándose las labores de sillería a las esquinas. En su costado norte muestra cuatro arcos de medio punto, tres de ellos determinando portadas ciegas y sólo uno conservando su puerta de la época en que el terreno exterior quedaba al mismo nivel que la planta de la iglesia. Todos los muros exteriores se orlan con cenefa de esgrafiados mudejaristas.
La fachada se concibe a triple portada. Destaca por su gran desarrollo la principal, que sin duda se debe a la intervención del maestro Juan González Agalé, con cierta colaboración de Diego de Miranda. Llama la atención su exótica belleza. Se desarrolla a doble cuerpo superpuesto: el inferior corresponde a la portada propiamente dicha y el superior encuadra un amplio ventanal que da iluminación al coro.
La sustentación es a base de pilastras un tanto planas, de frente cajeado, al igual que los altos pedestales en que apoyan con motivos decorativos cuadrifoliados - los de abajo - y listeles en aspa - los de arriba -. El arco de la portada es carpanel, el del ventanal, de medio punto. Los capiteles, corintios en su origen, desarrollan una sola fila de hojas, pero de palma; los frisos se decoran con cinco rosetas de minuciosa estilización. Se corona con un frontón avolutado y partido, dejando paso a una cruz que apoya en un pedestal prismático seguido de un segundo cuerpo bulboide. Sobre los lomos laterales del frontón se yerguen sendos pedestales que sustentan bolas. Los batientes de la portada son de madera tallada con cojinetes decorados con rosetas. La portada queda dentro del ritmo tranquilo del barroco isleño.
A un lado y en ángulo recto se alza otra portada que fue portería del convento, dando paso al patio porticado, verdadero claustro.
Interiormente, las tres naves se segmentan, hasta el crucero, en cuatro crujías con columnas de orden toscano sobre altos pedestales. En aquél, los pilares se transforman en elegantes pilares cruciformes, quedando los relativos al arco de triunfo reducidos a la mitad por empotramiento en los muros. El sistema de cubierta se ajusta a la fórmula mudejarista de par y nudillo en las naves, con su arneruelo correspondiente, limitándose las lacerías a los tirantes. Pero en las tres crujías de las nave del crucero y en la capilla mayor, los artesonados son ochavados y, mientras que en las capillas colaterales las labores de lazo se limitan al almizate, en el crucero se extiende a la totalidad de los faldones, quedando el fondo de la artesa decorado con un altorrelieve, estofado y policromado, de Nuestra Señora de Gracia y, en el de la capilla mayor, cinco perillones colgantes a manera de estalactitas.
El coro, de gran amplitud y sobriedad compositiva, se sitúa a los pies del templo siguiendo en su trazado una línea quebrada. Destacan en su ornamentación los motivos funiculares o torsos que se han señalado como aporte portugués
Entre los retablos del templo cabe destacar el que preside la capilla mayor, que fue construido en el primer cuarto del setecientos. De dos cuerpos, se destina el principal a la hornacina y el superior a pequeños lienzos de marco elíptico. La capilleta central es de gran desarrollo, cubriéndose con bóveda de medio cañón nervada, es la única parte del retablo que se doró. Los motivos ornamentales son de técnica muy aristada, como trabajados a formón. Está presidido por la imagen de Nuestra Señora de Gracia, titular del templo, realizada por Manuel Pereira en el siglo XVII.
BREVE APROXIMACIÓN A LA HISTORIA DEL TEMPLO La instalación de edificios religiosos, en especial los conventos, condicionó el desarrollo urbano de La Orotava consolidando el territorio como lugar de población. En tal sentido, la creciente aristocracia local favoreció la cristianización de unas tierras que fueron consideradas por las órdenes religiosas como un enclave cargado de futuro que podía hacer sombra a San Cristóbal de La Laguna, por entonces capital de la isla.
Perteneciente al conjunto conventual de Nuestra Señora de Gracia, la iglesia de San Agustín representa uno de los hitos patrimoniales del Conjunto Histórico de la Villa de La Orotava. El templo tiene su origen en la segunda mitad del siglo XVII, cuando fue erigido por la orden agustina, que ya desde finales del siglo XVI trataron sin éxito de establecerse en la localidad, al contar con la dura competencia de los dominicos y a la prohibición regia de ampliar las fundaciones de conventos de frailes. No obstante, la orden religiosa no cejó en su empeño y finalmente a mediados del siglo XVII y más concretamente en 1648 (el mismo año en el que se obtuvo el título de Villa exenta para La Orotava), se establecieron en La Orotava tomando como residencia la ermita de San Juan de El Farrobo. De allí se trasladaron en 1660, al Llano de San Sebastián, para finalmente unos años más tarde abandonarlo e instalarse en la primitiva ermita de San Roque, un espacio mejor situado, contando con el patronazgo de Ana Francisca de Jaén, esposa del capitán Juan Rosell de Lugo y Valcárcel, hermano de fray Nicolás Rosell de Lugo, primer prior de la comunidad agustina. Cabe recordar que la ermita de San Roque sirvió durante muchos años como lugar de reunión a regidores y vecinos de La Orotava para solventar asuntos públicos.
El 29 de enero de 1671, los vecinos más poderosos de la localidad se reunieron en la ermita de San Roque, y determinaron las capitulaciones fundacionales del convento ante el escribano Sebastián Bethencourt. Una provisión de la Real Audiencia de Canarias les autorizó luego a edificar iglesia y convento, para lo que aportaron en esa fecha, cada uno de ellos, 500 ducados y a cambio obtuvieron los honores del patronazgo. Los ricos terratenientes locales que intervinieron en la fundación del convento se aliaron en una poderosa sociedad de intereses, conocida como la Hermandad de las Doce Casas, en referencia a las doce familias más influyentes de La Orotava del siglo XVII. Como muestra de esa influencia y manifestación de su poder erigieron un templo visible desde casi todos los lugares del Valle, respondiendo al objetivo ideológico anteriormente señalado.
Los integrantes del referido patronato de las Doce Casas fueron: Juan Francisco de Ponte y Calderón; Nicolás Ventura de Valcárcel; Domingo Bautista y Lugo; Bartolomé Benítez de las Cuevas; Juan Francisco de Franchi; Francisco Tomás Alfaro y Lugo; Alonso Carrasco de Ayala; Miguel de Franchi Alfaro y Lugo; Francisco Calderón del Hoyo y Lugo; Diego Benítez de Lugo y Vergara; Nicolás Antonio de Lugo; Cristóbal de Ponte Xuárez; Domingo Benítez de Lugo; Pedro Rixo de Ponte y Lugo; Francisco de Molina; Lucas Arzola y Carlos de Franchi.
El autor de los planos y director de la fábrica fue Francisco Bautista Benítez Pereira de Lugo y Castillo, señor de las islas de El Hierro y La Gomera, y regidor perpetuo de Tenerife, quien, como representante de los patrocinadores se responsabilizó de levantar el templo, inspirándose, según varios autores en la iglesia de Santa Ana de Garachico y de concluirlo en seis años, contados a partir de 1672, con la sola obligación por parte de los frailes de proporcionar el solar, corriendo por parte de los valedores el costo de las obras que serían finalizadas en 1694. Tras el fallecimiento de Benítez de Lugo en 1680 le sucedió Domingo Grimaldi Rizzo de Lugo y Ponte, y a la muerte de este, en 1684 le reemplazó su hermano Pedro Grimaldi Rizzo de Lugo y Ponte, responsable de su conclusión en 1694.
El regidor Francisco Bautista Benítez de Lugo donó la imagen de la titular, escultura que llegó a La Orotava en 1671, siendo efectuada por Manuel Pereira, artista de origen luso y máximo exponente de la escuela castellana del siglo XVII.
El conjunto conventual conoció un momento de esplendor en el siglo XVIII y todos los historiadores, incluyendo a Viera y Clavijo, lo relacionaron con la bonanza económica vivida en la Villa de La Orotava, que había sabido sacar fruto a unos vinos que llegaron a tener fama mundial.
Tras la aplicación de las leyes desamortizadoras de 1836, el complejo conventual pasó a ser propiedad del Estado, quedando la iglesia carente de culto. posteriormente el 21 de febrero de 1850 una Real Orden hacía donación del Convento a la Hacienda Militar, que fue reconvertido en cuartel de infantería a excepción del templo, que pasó a depender de la parroquia matriz de la Concepción, si bien es cierto que durante un tiempo sirvió para el alojamiento de tropas. Recuperado plenamente para el culto religioso, fue creado parroquia por decreto de 21 de agosto de 1929, como filial de la Concepción, por el obispo de la Diócesis fray Albino González y Menéndez Reigada.