Ignotas Dubavičius ir Steponas Dubavičius 1621–1627 m. pastatė iš Liublino atvykusiems karmelitams vienuolyną. 1627 m. suręsta medinė bažnyčia. Jos vietoje Stepono Paco lėšomis 1633–1650 m. pastatyta dabartinė mūrinė. Manoma, kad ją projektavo ir statė architektas Ulrichas Hozijus, pagrindinį fasadą projektavo Konstantinas Tenkala. 1654 m. bažnyčią konsekravo vyskupas Jurgis Tiškevičius.
1760 m. sudegė. Po gaisro sumūrytas arkinis stogas, pastatyta varpinė. 1763–1765 m. vidus papuoštas skulptūromis ir freskomis. 1783 m. pastatyta Pociejų koplyčia. Prancūzijos kareiviai per 1812 m. karą nuniokojo bažnyčios vidų. Po karo bažnyčia restauruota. 1844 m. vienuolynas uždarytas.
1844 m. įkurta parapija. 1857 ir 1895 m. bažnyčia iš dalies restauruota. 1861–1915 m. jame veikė mergaičių mokykla, 1918–1931 m. – lietuvių mergaičių bendrabutis. 1912 m. per Dievo Motinos globos atlaidus lietuviams rytais leistos pridėtinės pamaldos ir pamokslai lietuvių kalba.
1927–1929 m. bažnyčios restauravimui vadovavo architektas Juliusas Klosas. 1971–1976 m. bažnyčia perdažyta, restauruotas vidus (vadovas architektas Vidmantas Vitkauskas).