Franciszkanie przybyli do Wilna jeszcze w czasach pogańskich, za księcia Giedymina (panował w latch 1316-1341), byli też na dworze jego syna Olgierda. Po przyjęciu przez Litwę chrześcijaństwa (w 1388 roku) uaktywnili się, tym bardziej, że dwa lata później pierwszym biskupem Wilna został franciszkanin z Polski o. Andrzej Wasiłło herbu Jastrzębiec, spowiednik Elżbiety Łokietkówny.
Nowy klasztor z kościołem pod wezwaniem Najświętszej Marii Panny stanął w obrębie miasta. Okazały gotycki kościół z pięcioma kaplicami konsekrowano w 1421 roku. W klasztorze mieściło się także studium zakonne. W średniowieczu bracia w Wilnie posiadali najbogatszy na Litwie księgozbiór.
W czasie pożaru w 1533 roku zawaliło się sklepienie kościoła, a sama świątynia doznała poważnych uszkodzeń. Podczas odbudowy świątyni podwyższono sklepienia naw bocznych do poziomu nawy głównej, co dało budowli tzw. układ halowy, bezpieczniejszy konstrukcyjnie.
W latach połowie XVI wieku starosta żmudzki Maciej Kłoczko wzniósł kolejną kaplicę- mauzoleum, a obok kościoła zbudowano późnogotycką dzwonnicę.
Franciszkański konwent w Wilnie stał się z czasem siedzibą odrębnej, litewskiej prowincji zakonu, a jeden z ojców – Jakub Franciszek Dłuski (poźniejszy biskup dziecezji bakowskiej w Mołdawii) założył w klasztorze drukarnię.
Podczas oblężenia i najazdu Wilna przez wojska moskiewskie w 1655 roku kozacy dokonali rzezi ludności, która schroniła się do kościoła, a działania wojenne uszkodziły świątynię. W 1708 roku na cmentarzu przykościelnym od ulicy Trockiej Michał Suzin ufundował barokową kaplicę pogrzebową ku czci osób zamordowanych przez kozaków w kościele franciszkanów.
Kościół i klasztor zniszczyły kolejne pożary w 1737 i 1749 roku. Oba budynki odbudowano w stylu barokowym, a prace trwały aż do 1778 roku. Wciąż jednak o gotyckim pochodzeniu budowli świadczyły potężne przypory, ostrołukowy piętnastowieczny portal, wieżyczka schodowa oraz sklepienia kryształowe w jednej z naw bocznych.
Równolegle z przebudową kościoła franciszkanie odbudowywali też spalony klasztor, nadając mu klasycystyczny kształt, w jakim przetrwał do dziś. W roku 1772 w konwencie żyło 53 zakonników. Odbudowano też drukarnię (od 1754 nosiła tytuł królewskiej), ale w 1781 roku została zamknięta. W 1795 roku po III rozbiorze Polski, Wilno znalazło się pod panowaniem Rosji.
W 1812 roku podczas kampanii napoleońskiej, stacjonujące w Wilnie wojska francuskie urządziły w kościele franciszkanów skład zboża.
Kościół zamknięto w 1864 roku w odwecie za manifestacje patriotyczne przed powstaniem styczniowym na cmentarzu przykościelnym przy figurze Matki Boskiej. W tym samym roku władze rosyjskie (gubernator wileński, generał Michaił Murawjow nazywany nie bez powodu Wieszatielem) zlikwidował konwent franciszkanów, konfiskując klasztor i kościół.
Rosjanie urządzili w świątyni i budynkach przyklasztornych archiwum, niszcząc przy tym całe wnętrze kościoła. W byłym klasztorze mieścił się lombard. Później w budynkach poklasztornych znalazło miejsce szereg instytucji społeczno-charytatywnych, założonych przez filantropa Józefa Montwiłła.
Przebudowy kościoła dokonano w latach 1872-1876. Bogate wyposażenie uległo zniszczeniu lub rozproszeniu, zburzono gotycką szesnastowieczną dzwonnicę, gotyckiej wieży zburzonej przez Rosjan nie odbudowano.
Od XIV wieku do kasaty carskiej konwent i kościół pełnił ważną rolę w dziejach Wielkiego Księstwa Litewskiego. Tu ułożono pierwsze modlitwy w języku litewskim, a sami franciszkanie byli duszpasterzami w języku litewskim i polskim.
Po odzyskaniu przez Polskę niepodległości w 1918 roku przywrócono kościołowi jego funkcje sakralne i rozpoczęto remont. Franciszkanie powrócili do swojego kościoła w roku 1934, chociaż starania o formalny zwrot kościoła i klasztoru trwały do 1938 roku. Dopiero Sąd Najwyższy w Warszawie zadecydował definitywnie o zwróceniu franciszkanom kościoła i klasztoru w Wilnie.
Po II wojnie światowej jesienią 1948 roku kościół został ponowie zamknięty, tym razem przez władze komunistyczne. W lutym 1949 roku został aresztowany franciszkanin o. Kamil Wełymański, którego zawierucha wojenna pod koniec jej trwania rzuciła do Wilna, gdzie osiadł przy klasztorze franciszkańskim. O. Kamil nie skorzystał z możliwości wyjazdu do Polski w ramach tzw. repatriacji.
Jego działalność radzieckie sądy zaocznie określiły jako "aktywną działalność antyradziecką i nacjonalistyczną" i tak o. Kamil przez więzienia w Wilnie i moskiewskiej Łubiance trafił z dwudziestopięcioletnim wyrokiem najpierw do obozu w Workucie, do kopalni węgla kamiennego, niedaleko Morza Karskiego, a później w obozów pracy na terenie dzisiejszego Kazachstanu.
Kościół po przejęciu przez komunistów pełnił razem z klasztorem rozmaite funkcje, był m.in. magazynem i archiwum dokumentacji radzieckich służb bezpieczeństwa. Przez kolejne dziesięciolecia ulegał poważnym zniszeniom. Ołtarz główny oraz pozostałe dzieła sztuki sakralnej przekazano do innych kościołów. W kaplicy cmentarnej (z 1708 roku) mieścił się sklep z pamiątkami.
Na podstawie tzw. amnestii, w 1959 roku o. Kamil został zwolniony. Powrócił na Litwę jednak nie otrzymał pozwolenia na osiedlenie się w Wilnie, nie mógł też pełnić funkcji kapłańskich. Wędrował z miejsca na miejsca, pracował jako duszpasterz w różnych parafiach. Najdłużej, bo kilkanaście lat pracował w Miednikach, około 35 km na południowy wschód od Wilna.
W 1990 roku po upadku ZSRR i odzyskaniu przez Litwę niepodległości rozpoczęto remont zniszczonego kościoła, odsłaniając przy okazji najstarsze, gotyckie elementy jego budowy, m.in. ostrołukowe okna. Podobnie przy okazji remontu klasztoru. 2 stycznia 1990 roku władze litewskie zrehabilitowały o. Kamila Wełymańskiego.
O. Kamil doczekał się w 1995 roku przybycia na Litwę młodych franciszkanów z prowincji gdańskiej z Polski. Im powierzył obowiązki duszpasterskie w Miednikach, a sam przeniósł się do Wilna i tam zamieszkał. W ostatnich latach życia używał nazwiska Wielemański.
Kilkuletnie zabiegi u władz państwowych i kościelnych o odzyskanie klasztoru i kościoła franciszkańskiego przyniosły efekt. Kościół w maju 1998 roku ponownie zwrócono franciszkanom. Niecały rok później zmarł w Wilnie (14 marca 1999 roku) w wieku 89 lat o. Kamil.
W kościele cały czas trwa żmudna renowacja. Był on jednym z najbardziej zdewastowanych obiektów sakralnych w Wilnie. Według wszelkiego prawdopodobieństwa jest on najstarszą świątynią w mieście Giedymina.
Nabożeństwa jak w XIV wieku sprawowane są w języku polskim i litewskim.
