Kościół został wzniesiony w latach 1604–1618 jako wotum po kanonizacji św. Kazimierza Jagiellończyka (1602). Inicjatorami budowy był spokrewniony ze świętym król Zygmunt III Waza oraz Lew Sapieha. Przy kościele rezydowali jezuici. Architektami świątyni są Giovanni Maria Bernardoni (Jan Maria Bernardoni) i Jan Frankiewicz. Po zniszczeniach dokonanych w 1655 przez wojska moskiewskie, które zdewastowały i częściowo spaliły kościół oraz po pożarze 1706 kościół został odnowiony przez Jana Krzysztofa Glaubitza, najsłynniejszego architekta tzw. baroku wileńskiego. Jezuita Tomasz Żebrowski w 1749 wieku wzniósł monumentalną kopułę z wysoką latarnią, zwieńczoną mitrą wielkoksiążęcą. W ramach represji carskich po powstaniu listopadowym kościół został skonfiskowany katolikom, a po powstaniu styczniowym z rozkazu generał-gubernatora Michaiła Murawiowa, architekt rosyjski Mikołaj Czagin przebudował go na cerkiew św. Mikołaja, znacznie zniekształcając jego architekturę m.in. obniżając wieże, zastępując znajdującą się na kopule mitrę wielkoksiążęcą prawosławną kopułką oraz skuwając rokokowe ozdoby. Dobudowano wówczas przedsionek, a we wnętrzu rozbito część barokowych nagrobków, zamalowano freski oraz rozebrano organy i ambonę. Podczas okupacji niemieckiej świątynię użytkowano jako protestancki kościół garnizonowy. W 1917 świątynia powróciła do katolików, w 1925 podczas remontu prowadzonego według projektu Jana Borowskiego usunięto znaczną część zniszczeń.