Kościół św. Kazimierza, opiekuna podróżnych i rzemieślników, nosi imię Kazimierza Jagiellończyka – patrona Wilna, kanonizowanego w 1602 roku. Już dwa lata po tym wydarzeniu, w 1604 roku, rozpoczęto budowę świątyni jako wotum dziękczynne za wyniesienie go na ołtarze.
Uroczystości kanonizacyjne św. Kazimierza odbyły się w maju 1604 roku i trwały trzy dni. Ich kulminacją był 12 maja, kiedy poświęcono kamień węgielny pod budowę kościoła. Według kronik jezuitów, do fundamentów kościoła przyniesiono trzy ogromne głazy stojące poza murami miasta. Nie poradziłoby sobie z nimi nawet sto wołów, lecz pewnego dnia ponad 700 osób, żartując i śmiejąc się, przy pomocy lin przywlekło pierwszy głaz na miejsce budowy, obiecując, że tak samo zrobią z pozostałymi. „W krótkim czasie – notuje kronikarz – olbrzymy te postawiono dokładnie tam, gdzie trzeba, dzięki poświęceniu ludzi”.
W uroczystościach uczestniczyli najwyżsi dostojnicy świeccy i duchowni Wilna, m.in. biskup Benedykt Woyna, Lew Sapieha, Mikołaj Krzysztof Radziwiłł „Sierotka” oraz Jan Karol Chodkiewicz. Procesja wyruszyła z kościoła św. Stefana do katedry wileńskiej, niosąc brewiarz przywieziony z Rzymu i chorągiew św. Kazimierza. Na trasie ustawiono cztery arki triumfalne, przy których studenci Akademii Wileńskiej prezentowali intermedia.
Kamień węgielny pod budowę kościoła poświęcił biskup wileński Benedykt Woyna. Prace budowlane i wykończeniowe trwały do 1616 roku, natomiast konsekracji świątyni dokonano w 1635 roku.
Na lokalizację kościoła wybrano jedno z najbardziej prestiżowych miejsc w Wilnie, pomimo zwartej zabudowy miejskiej. W latach 1601–1605 prowincjał jezuicki Piotr Boksza skupował od mieszczan parcele przeznaczone pod zespół kościelny oraz Dom Profesów. Mieszkali w nim jezuici, którzy ukończyli formację i złożyli śluby zakonne. Po utworzeniu w 1608 roku prowincji litewskiej i polskiej Dom Profesów stał się jej ważnym ośrodkiem administracyjnym – siedzibą prowincjała oraz miejscem przechowywania archiwum.
Dzisiejszy wygląd kościoła znacznie różni się od pierwotnej formy wzniesionej w XVII wieku, a następnie przebudowywanej przez jezuitów. W połowie XVIII wieku pracami renowacyjnymi kierował Jan Krzysztof Glaubitz, nadając świątyni cechy późnego baroku.
W drugiej połowie XVIII wieku fasadę świątyni zdobiły figury św. Kazimierza oraz Najświętszej Marii Panny. W niszy frontowej, na blasze, znajdował się malowany wizerunek ukrzyżowanego Chrystusa, a ponad nim duży krzyż kościelny z monogramem Towarzystwa Jezusowego.
Jednemu z dzwonów umieszczonych w wieżach nadano imię św. Kazimierza. Fronton przedsionka ozdabiał gipsowy herb rodowy Wazów – snopek – nawiązujący do fundatorów świątyni: króla Zygmunta III Wazy, inicjatora budowy, oraz jego syna Karola Ferdynanda Wazy.
Kościół św. Kazimierza wielokrotnie padał ofiarą pożarów i był przebudowywany. W 1812 roku wojska francuskie urządziły w nim magazyn zboża, a po upadku Powstania Listopadowego przekształcono go w cerkiew św. Mikołaja. Około trzydzieści lat później carski namiestnik, generał-gubernator Michaił Murawjow, zlecił rosyjskiemu architektowi Mikołajowi Czaginowi kolejną przebudowę – skrócono wieże, a barokowe hełmy zastąpiono bizantyjskimi kopułami. Wówczas zaburzono pierwotne proporcje kościoła – od strony wejścia dobudowano przedsionek zwieńczony kopułą z charakterystycznym, cebulastym hełmem. Fasada została wzbogacona o dodatkowe ornamenty, odpowiadające estetyce architektury prawosławnej. Jednocześnie zlikwidowano pierwotne zwieńczenie kopuły (koronę), które było istotnym elementem barokowej sylwety świątyni. W jego miejsce pojawiła się forma typowa dla cerkwi, całkowicie zmieniająca odbiór budynku. Dlatego patrząc dziś na fasadę kościoła, warto pamiętać, że jest ona efektem wielu historycznych przekształceń, a nie wiernym odzwierciedleniem pierwotnego, jezuickiego projektu.
Podczas I wojny światowej, po zajęciu Wilna przez Niemców, świątynia pełniła funkcję protestanckiego kościoła garnizonowego. W tym czasie fasada kościoła zyskała neobarokowe zdobienia, które przetrwały do dziś.
W 1917 roku kościół zwrócono katolikom, a w 1925 roku jezuici przeprowadzili jego renowację. Mogli jednak korzystać z niego jedynie przez kilka dziesięcioleci. Po II wojnie światowej świątynię zamknięto, a w latach 1966–1989 mieściło się w niej Muzeum Ateizmu.
Ponownie zwrócono ją wiernym W 1989 roku. Do dziś z dawnego barokowego wyposażenia wnętrza kościoła ocalały wyłącznie malowidła na kopule, ołtarz główny. W październiku 1988 r. kościół św. Kazimierza został przekazany wiernym. Po zakończeniu prac restauracyjnych, 3 marca 1991 r. arcybiskup Julijonas Steponavičius dokonał jego poświęcenia. Od tego czasu w kościele ponownie działają jezuici.
W 1997 roku w świątyni zainstalowano tzw. dzwony na wiatr – współczesną instalację artystyczną reagującą na podmuchy powietrza. Wydobywające się z niej dźwięki i melodie zależą od kierunku oraz siły wiatru. Pod częścią kościoła znajduje się krypta, w której przechowywane są relikwie św. Andrzeja Boboli, niegdyś proboszcza tej świątyni, o czym przypomina tablica pamiątkowa umieszczona w przedsionku.
