Šv. Kazimiero bažnyčia pradėta statyti 1604 m. Kertinį akmenį (tikriausiai dabar matomą kairiajame bažnyčios šone), pašventino Vilniaus vyskupas Benediktas Vaina. Statybai vadovavo jėzuitai: viceprovincijolas Povilas Bokša ir brolis Jonas Pranckovičius. Lėšomis rėmė Žygimantas III, LDK kancleris Leonas Sapiega ir kiti.
Bažnyčia konsekruota 1635 m., nors pamaldos pradėtos laikyti anksčiau. Daugelį kartų ją naikino gaisrai. Ypač nukentėjo pirmą kartą miestą užėmus Rusijos kariuomenei 1655 m. ir per 1749 m. gaisrą.
1749-55 m. jėzuitas architektas Tomas Žebrauskas bažnyčios kupolui suteikė laipsniuotą formą, suprojektavo didįjį altorių. Viduje buvo nutapytos šv. Kazimiero gyvenimą vaizduojančios freskos.
1773 m. panaikinus Jėzaus Draugiją (atkurta1814 m.), bažnyčia perduota kunigams augustinams. 1812 m. prancūzų kariuomenė joje įrengė grūdų sandėlį, sunaikino altorius. 1815 m. nuniokota bažnyčia perduota kunigams misionieriams. Jie aptvarkė jos vidų, įrengė naujus altorius.
1832 m. misionieriai buvo išvaryti. Keletą metų bažnyčia stovėjo apleista. 1841 m. rusų valdžia ją atidavė stačiatikiams. 1864-68 m. pagal archit. N. Čiagino projektą atlikta rekonstrukcija: pažeminti šoniniai bokštai, pristatytas masyvus, centrinis bokštas. Jie ir kupolas uždengti svogūno formos šalmais. Pagrindinis fasadas papuoštas neobaroko dekoru.
1915 m. vokiečių kariuomenė Šv. Kazimiero bažnyčioje įrengė liuteronų maldos namus. 1917 m. ji buvo sugrąžinta katalikams. 1919 m. Vilniaus arkivys-kupas, palaimintasis Jurgis Matulaitis bažnyčią grąžino jėzuitams. 1925 m. lenkų jėzuitai pagal J. Borovskio projektą ją restauravo.
Nuo 1940 m. bažnyčioje dirbo lietuviai jėzuitai. 1942-43 m. rektoriaujant kun. Romualdui Blažiui atstatyta kupolo karūna. Ją suprojektavo archit. Jonas Mulokas (bažnyčios dešinėje pusėje po vargonais yra jam skirta memorialinė lenta).
1949 m. sovietinė valdžia Šv. Kazimiero bažnyčią uždarė. Joje buvo įrengtas vyno sandėlis, sunaikintas visas bažnyčios inventorius, neišliko altorių paveikslų, vargonų, varpų. Nuo 1963 m. bažnyčioje įkurdintas ateizmo muziejus.
1988 m. spalyje Šv. Kazimiero bažnyčia sugrąžinta tikintiesiems. Po intensyvių restauravimo bei atstatymo darbų 1991 m. kovo 3 d. arkivyskupas Julijonas Steponavičius ją atšventino. Šiuo metu joje vėl darbuojasi Lietuvos jėzuitai.