Franciszkanie byli obecni w Wilnie już ok. połowy XIII w., a więc na długo przed przyjęciem przez Litwę chrztu (1387). W 1323 r., a więc w czasach litewskiego księcia Gedymina (Gediminas, ok. 1275–1341), zakonnicy posiadali niewielką, murowaną świątynię, która zlokalizowana była gdzieś na obszarze Zamku Dolnego i katedry.  

Dzisiejsza świątynia franciszkańska została usytuowana na skraju ówczesnego Wilna, w jego południowo-zachodniej części, przy trakcie prowadzącym do Trok, a dalej do Polski. Był to obszar zamieszkały przez osadników z Europy Zachodniej, głównie niemieckojęzycznych, dla których już wcześniej wzniesiono skromny, ceglany kościół pw. św. Mikołaja (przed 1387).  

Obszerny kościół franciszkanów powstał jako parafialny z fundacji króla Władysława Jagiełły, wielkiego księcia litewskiego Witolda i Hanula z Rygi, który był starostą wileńskim. Czasami jako datę jego konsekracji podaje się rok 1421, ale jest ona niepewna. Przyjmuje się, że bryła stanęła do ok. 1430 r. Świątynia została wzniesiona jako bezwieżowa, trójnawowa hala z przyporami wyciągniętymi na zewnątrz. Od strony fasady pierwotnie istniały dwie cylindryczne klatki schodowe (zachowana północna). Elewacje świątyni ożywiał ornament geometryczny, ułożony w iksy i romby, wyciągnięty w ciemnej cegle. Architektura kościoła wpisywała się więc w budownictwo niżu nadbałtyckiego, skąd pochodzili jej twórcy. Jako, że była to świątynia mendykancka, a zakonników obowiązywała modlitwa wspólnotowa do korpusu przylega długi chór zamknięty trójbocznie. Zapewne jeszcze w XV w. od strony północnej do kościoła dobudowano kaplicę dedykowaną Maryi. Po pożarze kościoła w 1530 r. strzecha pochodząca z tego samego nadbałtyckiego rejonu wzniosła przylegające do chóru od południa dwie kaplice, które nakrywają malownicze i światłocieniowe kryształowe sklepienia.  

Pierwotnie szczyt świątyni był schodkowy, w takim kształcie widoczny jest na najstarszych widokach Wilna. Przebudowano go w 1778 r., podobnie jak ściany kościoła wprowadzając schemat bazylikowy, czyli z wyższą nawą główną. Zmieniono wówczas także ostrołukowe okna naw bocznych i fasady. W tym samym czasie pilastrami i gzymsem ujęto gotycki portal z profilowanej cegły, który powstał w pierwszej połowie XV w. Prace modernizacyjne były prowadzone przez uznanego wileńskiego architekta Augustyna Kossakowskiego oraz franciszkanina Kazimierza Kamieńskiego, który architekturę studiował w Padwie. Nieco wcześniej, w połowie XVIII w. po północnej stronie chóru powstała kopułowa kaplica Ogińskich, jako ich mauzoleum rodowe.  

Kościół i klasztor został zamknięty w 1949 r. przez władze sowieckie, z przeznaczeniem go na archiwum NKWD. W 1998 r. świątynię zwrócono franciszkanom w stanie opłakanym. Świątynia w ostatnich latach ponownie pięknieje, dzięki finansowemu wkładowi Polskiej Fundacji Narodowej, która opłaciła rekonstrukcję organów, a obecnie wspiera konserwację malowideł. Ich autorem jest Franciszek Niemirowski, a powstały one po 1780 r. Opowiedziano w nich dzieje życia św. Franciszka, dodając emblematy (symboliczne przedstawienia słowno-obrazowe) zgodnie z ówczesną modą obowiązującą w Wilnie.