La chiesa, intitolata a San Ponziano Papa Martire, sorge in posizione dominante nell'abitato di Carbonia e fa da sfondo alla piazza principale della città. La sua costruzione fu avviata contemporaneamente a quella delle case e delle strutture pubbliche. Il progetto della chiesa fu approvato nel 1937.

La cerimonia di posa della prima pietra avvenne il 29 gennaio 1938, la chiesa fu consacrata il 18 dicembre dello stesso anno con la presenza di Mussolini.

L'edificio è costituito da un corpo centrale rettangolare in trachite scura, con abside semicircolare che si prolunga oltre la copertura realizzando un tamburo circolare finestrato.

L’esterno della chiesa è in trachite rossa, con pronao costituito da dei grossi blocchi di granito grigio. Nell'incursione aerea del 9 settembre 1943 fu distrutto il rosone della facciata, disegnato da Filippo Figari, oggi sostituito da un oculo.

All'interno si ammirano le statue dell'Immacolata, un’opera del 1939 di Giuseppe Stufflesser, e dei Santi Barbara e Ponziano, realizzate dell'austriaco Christian Mahlknecht. I pannelli in legno della Via Crucis si devono allo scultore Eugenio Tavolara. È attualmente conservato nella sacrestia un apparato pontificale rosso, donato da Mussolini.

Nel chiostro annesso alla chiesa si trova la bella statua marmorea di Santa Barbara dello scultore Gavino Tilocca. A destra della chiesa si erge il campanile a canna quadrata con lanterna ottagonale conclusa da una cuspide.