Le prime testimonianze documentali attestano la presenza dell'edificio già nel XIII secolo, epoca in cui la struttura non era ancora un convento, bensì la sede dell'antico Ospedale dell'Annunziata. Gestito dall'omonima confraternita e dagli Ospedalieri, il complesso fungeva da luogo di accoglienza e cura per gli infermi della città. Nel 1522, il domenicano fra Giovanni da Chieti ottenne da Alfonso d'Avalos il permesso di impiantarvi un convento dell'Ordine dei Predicatori. Nel 1543, completato il nucleo iniziale, la chiesa e l'ospedale vennero formalmente donati dalla congrega dell'Annunziata ai Padri Domenicani, e il tempio fu consacrato in onore di San Domenico. Pochi decenni dopo, nel 1566, il complesso subì la drammatica devastazione turca che colpì Vasto, durante la quale la struttura fu incendiata e privata di tutti i suoi arredi. Dopo una parziale ricostruzione nel 1789, la vera svolta istituzionale si compì nel 1809 con i decreti napoleonici. Il convento venne soppresso e la struttura, ormai in parziale rovina, fu ceduta dall'arcivescovo di Chieti al nobile Giuseppe Antonio Rulli. Nel 1842, l'architetto Nicola Maria Pietrocola trasformò
radicalmente l'ex monastero e il relativo chiostro in una sontuosa dimora per la famiglia. Subito dopo, tra il 1846 e il 1860, i Rulli provvidero alla demolizione della vecchia chiesa domenicana fatiscente e alla ricostruzione dell'attuale edificio, che portò alla definitiva intitolazione a Santa Filomena.

La facciata, in stile classico, è suddivisa in quattro fasce orizzontali: il primo livello è intonacato a bugnato liscio, il secondo e il terzo livello presentano paraste bugnate, mentre l'ultimo livello si conclude con un timpano triangolare ornato da una cornice su mensole. Al centro si allineano gli elementi principali: il portale d'ingresso, che sostiene il balcone della finestra soprastante, un finestrone ad arco e, in alto, una finestra a semicerchio al centro del timpano. La copertura del tetto è a due falde con un manto in coppi.

Lo spazio interno rivela un impianto longitudinale a tre pseudo navate, così chiamate perché le due navate laterali sono in realtà passaggi molto stretti. Il soffitto è formato da una serie di cupole quadrate e volte a botte, sorrette da grandi e alte colonne
ioniche che sono dipinte con un effetto finto marmo. Tutto l'ambiente segue lo stile neoclassico dell'Ottocento, molto geometrico, con il soffitto dipinto a riquadri regolari che imitano i cassettonati. Al contrario della struttura geometrica, l'altare maggiore e gli altari laterali presentano decorazioni in stucco in stile tardo-barocco, più ricco e mosso.

Tra le opere d'arte, nel primo altare a destra (dedicato a Santa Lucia) si trova una tela del 1853 che mostra il barone Giuseppe Antonio Rulli vestito da cavaliere Costantiniano, inginocchiato davanti alla Santa. L'intero arredo fu poi completato nel 1918 dal pittore fiorentino Achille Carnevale, autore anche di tre tele del 1927: Il
cuore di Cristo Re, San Benedetto Giuseppe Labre e La Madonna di Pompei. Infine, la chiesa custodisce la statua in legno di Sant'Espedito (inizi del 900), salvata e trasferita qui dalla chiesa di San Pietro.

A causa della scalinata d'ingresso e delle soglie storiche all'interno, la struttura presenta barriere architettoniche che la rendono non accessibile in autonomia a persone con disabilità motoria.

La chiesa non ha funzioni parrocchiali o messe quotidiane regolari e rimane abitualmente chiusa al pubblico, le aperture e le funzioni straordinarie sono gestite direttamente dalla Parrocchia di Santa Maria Maggiore.