Budowę świątyni poprzedziło ogłoszenie konkursu na projekt Świątyni Opatrzności Bożej w Białymstoku. Na konkurs wpłynęło ponad siedemdziesiąt prac, dziewięć z nich wyróżniono, między innymi propozycje architektów Władysława Schwarzenberga–Czernego, Jana Karżewskiego, Jerzego Woyzbuna, Jadwigi Dobrzańskiej i Zygmunta Łobody, Bohdana Lacherta, Lecha Niemojewskiego i Józefa Szanajcy oraz Witolda Kłębkowskiego. Do realizacji przeznaczono jednak projekt Oskara Sosnowskiego. Prace budowlane rozpoczęto w 1927 r. Do września 1939 r. kościół był gotowy w stanie surowym, z zamontowaną kopułą i ukończoną wieżą. Następnie został na krótko zarekwirowany przez Niemców na koszary. Ze względu na swoją charakterystyczną formę okupujący później Białystok sowieci zamierzali przeznaczyć świątynię na cyrk. W związku z tym już w roku 1941 rozpoczęto w kościele odprawianie nabożeństw, a prace budowlane przy nim były kontynuowane. Po wojnie kierownictwo budowy objął przybyły z Wilna architekt Stanisław Bukowski, student Sosnowskiego, poległego w wojnie. Prace przy wystroju wnętrza realizowano do początku lat 60. XX w. Brali w nich udział: Stanisław Bukowski, jego żona Placyda Siedlecka–Bukowska, Aleksander Wels, Stanisław Horno–Popławski oraz Irena Pławska. Świątynia była częścią większego zamierzenia ideowego „Kamiennej Litanii" – mistycznych twierdz maryjnych, będących architektonicznym wyrazem wezwań litanii loretańskiej, które miały stanąć w kilku miastach. Znawcy architektury podkreślają, iż kościół św. Rocha jest jedną z najbardziej oryginalnych budowli sakralnych wzniesionych w pierwszej połowie XX w. na świecie. Świątynia łączy idee narodowe z nowatorskimi formami architektonicznymi. Widoczne są inspiracje klasycznymi świątyniami maryjnymi, żelbetowym strukturalizmem Augusta Perreta, konstrukcyjną logiką gotyku. Kryształowe motywy dekoracyjne bliskie są „szkole krakowskiej". W spiętrzeniu brył oraz nawiązaniu do regularnych form przyrody można dopatrzyć się wpływów kubistycznej grupy Section d'Or i ekspresjonizmu niemieckiego). W latach 1929–1934 obok kościoła wzniesiono, również według projektu Sosnowskiego, przytułek dla starców, którego budowę kontynuowano jeszcze po wojnie, pod nadzorem Bukowskiego.