Kościół znajduje się w centrum Starego Miasta w Wilnie przy placu Ratuszowym. 

Został wzniesiony przez jezuitów jako wotum po kanonizacji w 1602 roku Kazimierza Jagiellończyka, syna króla Kazimierza IV. 

Z okazji kanonizacji otwarto grób królewicza Kazimierza. Jego ciało  po 118 latach od śmierci było, według świadków, nienaruszone. Uroczystości kanonizacyjne odbyły się w 1604 roku w katedrze wileńskiej. Biskup Benedykt Woyna poświęcił z tej okazji kamień węgielny pod pierwszy kościół ku czci św. Kazimierza przy kolegium jezuitów.

Projekt kościoła powstał zapewne w Rzymie i był dziełem jednego z jezuickich architektów. Wsparcia finansowego w budowie udzielili jezuitom król Zygmunt III Waza i kanclerz wielki litewski Lew Sapieha. Pracami budowlanymi kierował architekt Jan Frankiewicz. Budowla ukończona w 1618 roku była pierwszą barokową świątynią wzniesioną w Wilnie. Przy kościele powstał klasztor jezuitów, który mieścił kolegium, bibliotekę oraz szpital. Przez 6 lat, od 1624 roku kaznodzieją i spowiednikiem w tym kościele był późniejszy święty Andrzej Bobola. Sprawował on też funkcje rektora i doradcy prepozyta w tym kościele. Poza tym w klasztorze mieszkało wiele innych sławnych osobistości jezuickiego zakonu, takich jak: architekt Paweł Boksza, Konstanty Szyrwid, Albert Wijuk-Kojałowicz.

Po zniszczeniach i po pożarze w połowie XVIII wieku kościół został przebudowany być może według projektu Jana Krzysztofa Glaubitza, najsłynniejszego architekta tzw. baroku wileńskiego. Monumentalną kopułę z wysoką latarnią, zwieńczoną mitrą wielkoksiążęcą, zaprojektował zapewne jezuita Tomasz Żebrowski. Wnętrze otrzymało wówczas wystrój rokokowy, dodano dziesięć ołtarzy, a ściany ozdobiono freskami przedstawiającymi sceny z życia św. Kazimierza. W 1812 roku armia francuska zdewastowała wnętrze, zamieniając kościół w magazyn zboża. W ramach represji po powstaniu listopadowym kościół został skonfiskowany katolikom, a po powstaniu styczniowym przebudowano go na cerkiew, m.in. nakrywając wieże prawosławnymi cebulastymi kopułami. Usuwano też ślady polskości. We wnętrzu rozbito część barokowych nagrobków i zamalowano freski. Świątynia powróciła do katolików dopiero pod koniec I wojny światowej. Podczas remontu prowadzonego według projektu Jana Borowskiego w 1925 roku częściowo przywrócono świątyni pierwotny wygląd. Po wojnie władze sowieckie odebrały ją jezuitom i przekształciły w muzeum ateizmu. W miejscu głównego ołtarza umieszczono posąg Lenina. Dopiero po rozkładzie komunizmu kościół został oddany katolikom i powrócili tu jezuici, którzy dokonali jego ponownej konsekracji i starają się przywrócić go do dawnej świetności.