Костел Св. Казимира и иезуитский монастырь основаны в 1596 г. Костел был заложен в 1604 г, но начатое строительство не было завершено. В 1610 г. костел горел, а окончательно он был достроен в 1616 г. Работами руководил архитектор Йонас Франкявичюс. Костел Св. Казимира — это первый образец стиля барокко в Вильнюсе. Архитектурный план храма отражает план первого иезуитского костела в Риме: продольный и поперечный нефы образуют латинский крест, а над местом их пересечения возвышается высокий купол. Боковые нефы превращены в отдельные часовни, над которыми сооружены открытые галереи. Двубашенный фасад костела возведен в традиции литовского костёльного строительства. Во время пожара 1749 г. был уничтожен интерьер костела, рухнули перекрытия купола.
В 1750-1755 гг. произведена капитальная реконструкция храма: восстановлен многоступенчатый купол в стиле барокко, построено 13 алтарей под мрамор с множеством скульптур, изображающих святых, и роскошная костёльная кафедра. Стиль остальных элементов реконструкции указывает на то, что костел восстанавливал именно архитектор Й.К.Глаубицас.

Во время реконструкции храма в боковых стенах были замурованы галереи, а на их месте помещены шесть сюжетных картин из жизни Св. Казимира. Автор картин – иезуит Фридрих Обст.

С упразднением иезуитского ордена, в 1773 г. костел перешел в ведение ксендзов-эмеритов, а в 1799 г. он стал приходским. В 1812 г. французы превратили его в кладовую зерна, нанеся этим значительный ущерб храму. В 1815 г. костёл под своё попечительство взяли миссионеры и обновили его. В 1832 г. царским указом костел был закрыт и превращен в собор Св. Николая. По проекту академика А. Рязанова во время реконструкции 1834-1837 гг. были разрушены 10 алтарей и замечательная костёльная кафедра работы Й. К. Глаубица.

В 1867 г. архитектор Н.Чагин переделал костел в собор: были снижены угловые башни фасада, на них помещены луковицеобразные купола, великокняжья митра на центральном куполе заменена маковкой. Все купола были покрыты позолоченной жестью. К храму пристроен притвор с подобным куполом, фасад храма искусно отделан. В костеле были снесены хоры, разрушена фигура возлегающего рыцаря из белого мрамора — надгробный памятник полевого гетмана Великого Княжества Литовского Винцента Госиевскиса, погибшего во время восстания армии 1662 г. До реконструкции XIX в. костел представлял собой величественную, монументальную композицию простых массивных форм. Пристроенный в 1755 г. притвор в стиле барокко внес разнообразие в суровые и лаконичные формы храма.

В 1917 г. костел был возвращен католикам. Во время немецкой оккупации в храме проводились богослужения для солдат-протестантов. В 1922-1925 гг. были отстроены хоры, но уже в ином виде, интерьер коостела обновлен, а изменения, сделанные русскими архитекторами и художниками, по возможности, устранены. В межвоенное время костел и монастырь принадлежал польским иезуитам, а с 1940 – литовским. При костеле, в монастырском помещении, все время была гимназия. Начиная с 1942 г. здесь действовала первая гимназия мальчиков (бывшая гимназия им. Витаутаса Великого), позже переименованная в среднюю школу им. А. Виенуолиса, ныне – иезуитская..

В костеле служили литовские ксендзы Паукштис, Гаруцкас, Блажис, Петронис и др. Во время Второй мировой войны снарядом снесло центральную и среднюю башни фасада. В 1942-1944 гг. центральная башня — корона с крестом, была восстановлена по проекту архитектора Й. Мулокаса, а фасад с крестом так и не был отстроен. Костел Св. Казимира был закрыт в 1948 г., а позже здесь был открыт Музей атеизма.

Первого марта 1991 года костел был отреставрирован и заново освящен в качестве костела католической молодежи и студентов. Первым настоятелем назначен ксендз Й. Борута.