Prie buvusių svarbiausių gatvių sankryžos 1387–1426 m. pastatyta mūrinė gotikinė pirmoji parapinė bažnyčia. Ji pradėta statyti Jogailos iniciatyva. XV a. ir 1530 m. degė. 1566–1571 m. klebonavo žymus teisininkas Petras Roizijus. Po jo mirties bažnyčia atiduota jėzuitams. Bažnyčios rekonstrucijai 1571 m. prie Riešės jėzuitams paskirtas molingas sklypas plytinei pasistatyti. Perstatant bažnyčią išlaikyta gotikinė architektūra.
1600–1610 m. pastatyta mūrinė varpinė. Bažnyčia gerokai apgriauta 1655 m. per karą su Maskva; įgriuvo skliautai. Netrukus suremontuota. 1700 m. rekonstruotas choras, įsigyti nauji vargonai. 1702 m. Švedijos kariai išsivežė sidabrinius liturginius reikmenis.
1737 m. bažnyčia sudegė, išsilydė varpai. Atstatant fasadas ir frontonas įgavo vėlyvojo baroko formas. Po 1737 m. gaisro paaukštinta varpinė. Dar degė 1741 ir 1748 m. Sudegusios bažnyčios rekonstrukcijos projektas architekto Jono Kristupo Glaubico. 1743–1754 m. freskas tapė J. Salmanas. 1756–1758 m. perstatymui vadovavo T. Žebraukas. Nuo 1773 m. bažnyčia priklausė universitetui.
1827–1828 m. Karolis Podčašinskis gotišką pietų fasado portalą pakeitė klasicistiniu. Tuo metu nugriauta aukšta mūro siena, skyrusi bažnyčią ir varpinę nuo gatvės. Per šį remontą pakeistas vidus, užtinkuota daug freskų, nugriauti prie kolonų buvę altoriai. 1840–1842 m. vargonininkavo kompozitorius Stanislovas Moniuška. 1888–1889 m. remontuota bažnyčia, 1903 m. – varpinė.
1899 m. bažnyčioje pastatytas memorialinis paminklas Adomui Mickevičiui, 1901 m. – Antoniui Edvardui Odinecui, Stanislovui Moniuškai, 1908 m. – Vladislovui Sirokomlei (skulptorius Pijus Velionskis), 1917 m. – Tadui Kosciuškai (skulptorius ir architektas Antanas Vivulskis). 1915 m. į Rusiją išvežti 3 varpai. 1917 m. Vokietijos kareiviai išplėšė metalines vargonų dalis.
1940–1942 m. bažnyčia tarp lietuvių garsėjo ugningais, patriotiniais kunigo Alfonso Lipniūno pamokslais. Jį 1943 m. naciai išvežė į Štuthofo koncentracijos stovyklą. 1948 m. vasarą bažnyčia uždaryta.
1949 m. daugiau kaip 5000 bažnyčioje rastų knygų perduota Knygų rūmams, o inventorius, meno vertybės – įvairioms organizacijoms, „Tiesos" redakcijai. Keli baldai, paveikslai pateko į Istorijos ir etnografijos muziejų. Dalis inventoriaus, kitų vertybių išvogta, sugadinti vargonai, apnaikinti altoriai. Bažnyčioje įrengtas popieriaus sandėlis. 1963 m. bažnyčia perduota universitetui. 1964–1979 m. restauruota (archit. Romano Jalovecko projektas). 1979 m. įrengtas Mokslo muziejus.
1989 m. restauruotos Šv. Onos ir Marijos paguodos koplyčių freskos. 1990 m. bažnyčia grąžinta tikintiesiems, atkurta parapija, 1991 m. liepos 11 d. pašventinta.