Pirmoji Šv. Onos bažnyčia minima 1390 m. Ji stovėjo Gedimino (Pilies) kalno šiaurinėje pašlaitėje ir priklausė pranciškonams.
Bažnyčia XIX a. (Zygmunt Vogel (1764-1826)).
Žygimanto Augusto nurodymu ji 1551 m. nugriauta, toje vietoje pastatyta Šv. Onos ir Barboros vienanavė bažnyčia. Manoma, kad jos architektas Džiovanis Činis. Bažnyčia buvo renesansinė. Po Žygimanto Augusto mirties neužbaigta, 1655 m. apgriauta, 1666 m. visai nugriauta.
Įdomu tai, kad nors vėlesnė, dabartinė bažnyčia yra gotikinė, ji atsirado po to, kai renesansinė Onos ir Barboros bažnyčia buvo apleista. Tai tarsi dvasinis atgimimas po trumpo kitokio stiliaus bandymo. Sakoma, kad Šv. Ona, Mergelės Marijos motina, buvo labai gerbiama kaip pavyzdys, kaip reikia auginti vaikus tikėjime. Todėl šią bažnyčią lankydavo tie, kurie ieškojo stiprybės šeimos gyvenime.
Bažnyčios mūrininkai, statydami šiuos raudonus gotikinius bokštus, tikėjo, kad kiekviena plyta yra tarsi malda, kylanti į dangų. Nors Napoleono kariai jos nesugriovė, ji vis tiek patyrė daug vargų. Ši vieta visada buvo svarbi vilniečiams, ieškantiems ramybės ir Dievo artumo. Jos sienos saugo daugybę tylių išpažinčių ir padėkų.