Gotiškos, vienanavės su trisiene apsida pietryčių pusėje bažnyčios statybos datuojamos XV a. pabaigoje – XVI a. pradžioje. Bažnyčiai buvo suteiktas Švč. Trejybės titulas. 1536 metais pagal LDK kunigaikščio ir Lenkijos karaliaus Žygimanto senojo privilegiją prie Švč. Trejybės bažnyčios buvo įsteigta špitolė[1].

Šventovę su jai priklausančia špitole aptarnavo dominikonai, o vėliau ji patikėta pasauliečiams kunigams. 1748 ir 1749 metais pastatas keletą kartų nukentėjo nuo gaisrų, po kurių buvo atstatytas –  šiaurės vakarų pusėje sumūryta nauja presbiterija ir zakristija, pietryčių pusėje buvo pastatyti 2 bokštai ir padarytas naujas portalas (gotikinės apsidės vietoje). Išlikusiame 1785 m. bažnyčios inventoriuje minima, jog pagrindinis įėjimas į šventovę vedė iš gatvės pusės. XVIII a. šventovė priklausė Vilniaus universitetui ir joje klebonavo universiteto rektoriai. 1781–1805 m. jos klebonas buvo universiteto rektorius, filosofijos, teologijos daktaras matematikos ir astronomijos profesorius Martynas Počobutas (1728–1810). Nuo 1817 m. buvo sprendžiamas klausimas ką daryti su bažnyčios pastatu. Laikinai joje buvo sandėliuojami javai[2].

1821 metais bažnyčia buvo paversta Apreiškimo (Blagoveščenskaja) cerkve, todėl pagal jos poreikius pakeistas interjeras. 1838 metais pastatas atiteko kariniam daliniui, 1846-1848 metais pakeisti jo fasadai[3]. 1920 m. šventovė grąžinta katalikų bažnyčiai. 1946–1947 m. bažnyčioje kunigavo Šv. Faustinos dvasios tėvas prof. kun. Michal Sopočka (1888–1975). Po Antro pasaulinio karo pastatas priklausė ,,Žalgirio“ sporto draugijai, vėliau LTSR kultūros ministerijai, Kultūros paminklų restauravimo trestui[4].

1968 metais nugriuvo fasado centrinė dalis su portalu iš gatvės pusės. 1971 metais pagal architektės D. Čepienės projektą buvo atstatyta ant senųjų pamatų trisienė apsida, rekonstruotos gotiškos jos formos, šiaurės rytų fasade įrengtas naujas įėjimas[5].

2004 metais tuometinis Vilniaus arkivyskupas metropolitas kardinolas Audrys Juozas Bačkis pastate įkūrė Vilniuje Dievo gailestingumo šventovę, pritaikytą garbinti paveikslą "Dievo Gailestingumas", dėl kurio eksponavimo šioje šventovėje kilo ginčai tikinčiųjų bendruomenės tarpe. Paveikslą nutapė Eugenijaus Kazimirovskis 1934 metais pagal vienuolės, mistikės Šv. Faustinos Kovalskos (1905–1938) regėjimą. Sovietmečiu paveikslas painiomis aplinkybėmis iš Lietuvos dingo ir buvo aptiktas XX a. 7 deš. vienoje iš Baltarusijos Gardino bažnyčių. Tačiau 1986 metais Minsko arkivyskupo Tadeušo Kondrusievičiaus ir Gardino vyskupo Aleksanderio Kaškievičiaus pastangomis Dievo gailestingumo paveikslas slapta pargabentas į Vilnių ir siekiant išsaugoti paslėptas Vilniaus Šventosios dvasios bažnyčioje[6].

Brigita Tranavičiūtė