Jėzuitų ordino ir šv. Kazimiero giminaičio Zigmanto Vazos rūpesčiu 1604 m. pradėta statyti bažnyčia. Manoma, kad pagal architekto Džovanio Marijos Bernardonio projektą, parengtą Romos Jėzaus bažnyčios, pastatytos 1575 m., pavyzdžiu. Apie 1606 m. pastatyta laikina. Mūrinės bažnyčios statybai kurį laiką vadovavo architektai Jonas Prochorovičius ir Povilas Bokša. Statomą bažnyčią 1610 m. apgadino gaisras. Prie bažnyčios 1615 m. pastatytas kolegiumas – vyresniųjų vienuolių namas, vėliau – kiti vienuolyno pastatai.
1618 m. pastatyta bažnyčia. Nuo 1630 m. veikė giedotojų brolija-mokykla. Bažnyčią ir vienuolyną 1655 m. gerokai apgriovė Rusijos kariuomenė. Vėliau atnaujinti. 1706 m. ji ir vienuolynas degė. Jų atstatymui ir rekonstrukcijai kurį laiką vadovavo architektas Tomas Žebrauskas. Iki 1755 m. ant bažnyčios bokštų užstatyti šalmai ir žibintai, įrengtas puošnus didysis altorius. Bažnyčiai skulptūras sukūrė Jonas Kyrneris, kupolo ir fasado sienų tapybą – Juozapas Frydrichas Obstas.
1773 m. uždarius jėzuitų ordiną, bažnyčia 1777 m. atiduota kunigams emeritams, 1799 m. tapo parapine. 1799–1814 m. ją administravo vienuoliai – reguliarieji atgailos kanauninkai, o vėliau misionieriai. Prancūzijos kariuomenė 1812 m. sunaikino altorius, paveikslus, suolus, klausyklas. 1814 m. bažnyčia restauruota, 1832 m. uždaryta. Ji 1836–1840 m. vadovaujant architektui Tomui Tišeckiui pertvarkyta į cerkvę.
1864–1868 m. pagal architekto Nikolajaus Čiagino projektą rekonstruota į Šv. Mikalojaus soborą: pažeminti bokštai, vietoj frontono pastatytas vidurinis bokštas, jie ir kupolas uždengti svogūno formos šalmais. Viduje sunaikintos evangelijų tematikos freskos, pašalintos barokinės skulptūros. Apie 1867 m. nugriauta mūrinė tvora su puošniais vartais.
Bažnyčia 1917 m.
1915 m. cerkvė paversta Vokietijos kariuomenės Vilniaus įgulos evangelikų liuteronų bažnyčia. 1917 m. vokiečių kariuomenės katalikų kapeliono jėzuito Mukermano pastangomis bažnyčia grąžinta katalikams. 1919 m. kovo mėn. tikintieji bažnyčioje gynė kunigą Mukermaną nuo bolševikų, norėjusių jį suimti. Trečią gynimo parą raudonarmiečiai įsiveržė į šventovę, išplėšė kunigą iš jį saugojusių katalikų ir išvežė iš Vilniaus. 1922 m. bažnyčia perduota lenkams jėzuitams. 1925 m. pagal architekto Jano Borovskio projektą restauruota. 1942 m. pagal architekto Jono Muloko projektą vietoj svogūninių šalmų atstatyta Jogailaičių karūna.
1944 m. apdegė pagrindinis fasadas ir bokštai. Po karo bažnyčią perėmė lietuviai jėzuitai, 1949 m. iš jų atimta ir uždaryta. Bažnyčia 1955–1957 m. restauruota pagal architekto Sigito Lasavicko, 1965–1966 m. – pagal Aldonos Švabauskienės projektą. 1966 m. įrengtas Ateizmo muziejus.
1988 m. spalio mėn. grąžinta tikintiesiems, pradėta remontuoti. 1990 m. bažnyčia grąžinta jėzuitams. 1991 m. kovo 3 d. pašventinta. 2003 m. prof. Leopoldo Digrio rūpesčiu sumontuoti „Oberlinger“ (Vokietija) firmos trijų manualų, 45 balsų mechaniniai vargonai.