Rašytiniai šaltiniai mini, kad Lietuvos Didžiosios Kunigaikštystės didikas Albertas Goštautas XIV a. į Vilnių pasikvietė 14 pranciškonų, kurie, didikui išvykus, vilniečių buvo nukirsdinti arba nukryžiuoti. Ant kankinių kapo A. Goštautas pastatė kryžių, kurio nepalietė ir didysis miesto gaisras, o kankinių užtarimu buvo patiriama malonių. 1543 m. kryžiaus vietoje buvo pastatyta Šv. Kryžiaus koplyčia. 1635 m. vyskupas Abraomas Vaina pakvietė į Vilnių vienuolius bonifratrus (lot. boni fratres – gerieji broliai) ir patikėjo jiems slaugyti senus ligotus kunigus ir vargšus pasauliečius. Broliai rūpinosi ir psichinę negalią turinčiais žmonėmis, o tai anuo metu buvo neįprasta. Įsikūrę Vilniuje, bonifratrai šalia Šv. Kryžiaus koplyčios pastatė vienuolyną ir bažnyčią.

Dabartinė bažnyčios puošyba sukurta XVIII a. po Vilnių nusiaubusio gaisro. Šv. Kryžiaus bažnyčios išorė gana kukli, puošnūs tik jos kvadratinių bokštelių viršūnes užbaigiantys ažūriniai kryžiai. Bažnyčios vidus turtingesnis, tačiau kiek neįprastas Vilniaus miesto vėlyvojo baroko stiliaus bažnyčioms. Svarbu paminėti jos rūsyje tekantį šaltinėlį, kuris, sakoma, ištryško tada, kai buvo nukirsdinti vienuoliai pranciškonai. Žmonės tiki, kad šis vanduo gydo akių ligas.

Vienuolius bonifratrus iš Vilniaus išvarius, 1843 m. Šv. Kryžiaus bažnyčia buvo uždaryta. Tarpukariu broliai vėl sugrįžo ir įkūrė senelių prieglaudą ir valgyklą vargšams. Po Antrojo pasaulinio karo bažnyčia buvo vėl uždaryta. Čia buvo komplektuojamos knygos bibliotekoms papildyti. Vienuolyno patalpose gyveno žmonės, kita pastato dalis priklausė Vilniaus kraštotyros muziejui. 1976 m. bažnyčia buvo kruopščiai restauruota ir pritaikyta vargonų muzikos koncertų salei. Nuo 1995 m. pastatai buvo perduoti Nekaltai Pradėtosios Švč. Mergelės Marijos Vargdienių seserų kongregacijai, vienuolynas rekonstruotas. Prie bažnyčios veikia seserų koordinuojamas socialinis centras „Šv. Kryžiaus namai“, kuriame rūpinamasi sunkumus patiriančiais žmonėmis.

Dievo Motinos Ligonių Sveikatos, arba Švč. Mergelė Marijos Snieginės, paveikslas mena brolių bonifratrų laikus. Tiksli paveikslo atsiradimo istorija nėra žinoma, tačiau apie jį jau rašoma XVIII a. viduryje bažnyčios inventorizacijos dokumentuose. Apie malones, teikiamas per paveikslą, liudija apkaustai bei votai – padėkos ženklai. Dievo Motinos Ligonių sveikatos užtarimo ir pagalbos ypač prašo ligoniai ir regėjimo problemų turintys žmonės. Bažnyčios fasadą puošia šio paveikslo kopija.