Tai antroji (po Šv. Jonų) jėzuitų įsteigta bažnyčia Vilniuje, pastatyta Lietuvos globėjo Šv. Kazimiero garbei. Ji pradėta statyti iškart po šv. Kazimiero kanonizacijos iškilmių 1604 m. ir sumanyta kaip svarbiausia jėzuitų bažnyčia Lietuvos Didžiojoje Kunigaikštystėje. Jos ir profesų namų statyba sutapo su Lietuvos jėzuitų provincijos steigimu. Šie profesų namai buvo svarbiausias ir reikšmingiausias jėzuitų provincijos struktūrinis vienetas, kadangi jame gyvendavo tėvas provincijolas ir kiti vienuoliai, kurie praėję visą formaciją ir davę paskutinius iškilminguosius įžadus: tris įprastinius vienuolinius ir ketvirtąjį – klusnumo popiežiui (lot. professio).

Šv. Kazimiero bažnyčia pastatyta pagal jėzuitų mėgiamą Romos Il Gesù (Jėzaus vardo) pavyzdį ir priklauso moderniausioms ankstyvojo baroko lotyniško kryžiaus plano su kupolu šventovėms. Po paskutiniojo gaisro 1749 m., bažnyčia buvo rekonstruota, pastatytas naujas keliapakopis kupolas, vainikuotas karūna. Tai vienas puikiausių kupolų Europoje.

XVII a. po didžiuoju Nukryžiuotojo Jėzaus altoriumi įrengta jėzuitų laidojimo vieta, papuošta vienspalviai nutapytais Nukryžiuotojo, Kristaus Prisikėlimo, Švč. Mergelės Marijos ir karstuose klūpančių bei besimeldžiančių mirusių vienuolių atvaizdais. Manoma, kad kripta buvo užpilta atstatant bažnyčią po rusų kazokų antpuolių XVII a. viduryje. Kripta atsitiktinai atrasta 1991 m. Į ją perlaidota apie 200 palaikų, rastų kituose bažnyčios rūsiuose. Kriptoje gerbiama šv. Andriejaus Bobolos, 1622 m. šioje bažnyčioje įšventinto kunigu ir čia dirbusio 12 metų, relikvija.

XVIII a. Šv. Kazimiero bažnyčioje buvo pastatyta 13 mūrinių altorių, išliko tik centrinis ir du altoriai, esantys centrinio altoriaus kairėje ir dešinėje. Kai kurie sugriautų altorių paveikslai dabar yra Šv. Jonų bažnyčioje. Pagrindiniame XVIII a. baroko altoriuje – jau šių laikų žymaus dailininko Antano Kmieliausko kūriniai.

Po 1831 m. sukilimo bažnyčia uždaryta, o 1864–1868 m. rekonstruota į Šv. Nikolajaus soborą. Tuomet buvo pažeminti bokštai, bažnyčia vainikuota svogūno formos kupolais. Tarpukariu bažnyčia grąžinta katalikams, sovietmečiu čia veikė ateizmo muziejus, o Lietuvai atgavus nepriklausomybę bažnyčia vėl sugrąžinta jėzuitams.