Францисканці вже були присутні у Вільнюсі приблизно в середині 13 століття, задовго до хрещення Литви (1387). У 1323 році, тобто за часів литовського князя Гедиміна (Гедимінас, бл. 1275-1341), монахи мали невеликий цегляний храм, розташований десь в районі Нижнього замку і Кафедрального собору.

Сьогоднішній францисканський храм знаходився на околиці тодішнього Вільнюса, в його південно-західній частині, при дорозі, що вела до Тракаю і далі до Польщі. Це була місцевість, заселена переселенцями із Західної Європи, переважно німецькомовними, для яких вже був збудований скромний мурований костел Святого Миколая (до 1387 р.).

Просторий францисканський костел був збудований як парафіяльний на кошти короля Владислава Йогайли, великого князя литовського Вітовта і ризького старости Ганула, який був старостою Вільнюса. Датою його освячення іноді називають 1421 рік, але це неточно. Припускають, що блок простояв приблизно до 1430 року. Храм був збудований як безбаштовий, тринефний зал з винесеними назовні контрфорсами. З боку фасаду первісно були дві циліндричні сходи (збереглася північна). Фасади костелу оживляв геометричний орнамент у вигляді шестикутників і ромбів, викладений темною цеглою. Таким чином, архітектура костелу відповідала архітектурі Прибалтійської низовини, звідки походили його творці. Оскільки це був мендиканський костел і ченці були зобов'язані молитися у причасті, до тіла костелу примикає довгий хор, закритий тристоронньою консоллю. Ймовірно, ще в 15 столітті до північної сторони костелу була прибудована каплиця, присвячена Марії. Після пожежі в костелі в 1530 році солом'яники з того ж балтійського регіону збудували дві каплиці, що примикають до хору з півдня, які перекриті мальовничими і світлотіньовими кришталевими склепіннями.

Спочатку верхівка костелу була ступінчастою, як це видно на найстаріших видах Вільнюса. Він був перебудований у 1778 році, як і стіни костелу, за схемою базиліки, тобто з вищою навою. Тоді ж були змінені овальні вікна бічних нефів і фасад. Тоді ж готичний портал з профільованої цегли, збудований у першій половині 15 ст., покрили пілястрами та карнизами. Роботи з модернізації виконували відомий віленський архітектор Августин Коссаковський та францисканець Казімєж Каменський, який вивчав архітектуру в Падуї. Трохи раніше, в середині 18 століття, з північного боку хору була збудована купольна каплиця Огінських, яка слугувала їхнім родинним мавзолеєм.

Костел і монастир були закриті радянською владою у 1949 році, а костел використовувався як архів НКВС. У 1998 році костел повернули францисканцям у жалюгідному стані. В останні роки храм знову став красивим завдяки фінансовому внеску Польського Національного Фонду, який оплатив реконструкцію органу, а тепер підтримує збереження розписів. Розписи були створені Францішеком Немировським після 1780 року і розповідають історію життя святого Франциска, додаючи емблеми (символічні слова-зображення) відповідно до тогочасної моди у Вільнюсі.