Bažnyčia patenka į Gailestingumo kelio ir Dominikonų kelio Vilniuje maršrutus

1951 m. Dievo Gailestingumo paveikslo drobė iš uždarytos Šv. Mykolo bažnyčios buvo perduota Vilniaus Šv. Dvasios bažnyčios klebonui, bet viešam gerbimui paveikslas nebuvo pakabintas. 1956 m. Naujosios Rūdos parapijos klebonas, žinodamas paveikslo atsiradimo istoriją, pervežė jį į Naujosios Rūdos bažnyčią netoli Gardino. Tačiau šią šventovę uždarius kelių kunigų rūpesčiu 1986 m. paveikslas slapta buvo vėl sugrąžintas į Šv. Dvasios bažnyčią. Čia jis buvo gerbiamas iki 2005 m., kol sutvarkius greta esančią Švč. Trejybės bažnyčią ir jai suteikus Dievo Gailestingumo šventovės titulą paveikslas perkeltas į šią šventovę.

Manoma, kad pirmoji gotikinė bažnyčia šioje vietoje stovėjo jau Lietuvos didžiojo kunigaikščio Gedimino laikais, tačiau buvo sugriauta kryžiuočių. 1408 m. Vytautas Didysis pastatė naują bažnyčią, kuri XVI a. pradžioje Lietuvos didžiojo kunigaikščio ir Lenkijos karaliaus Aleksandro iniciatyva buvo perduota dominikonų vienuolijai.

XVII a. po kelių gaisrų bažnyčia buvo rekonstruota ir šiandien yra vėlyvojo baroko stiliaus. Rokoko stiliaus puošybos interjeras laikomas vienu iš vertingiausių Lietuvos bažnyčių interjerų. Bažnyčia taip pat garsėja išlikusiais beveik originaliais XVIII a. vargonais, šešiolika altorių ir požemiais, kuriuose šimtmečius buvo laidojami miesto mirusieji, maro ir kitų epidemijų aukos, Napoleono armijos kareiviai. Po XIX a. sukilimų caro valdžios uždarytame vienuolyne įkurtos magistrato įstaigos, butai ir kalėjimas, karo pramonei dirbančios slaptos įstaigos.

1993 m. vizito Lietuvoje metu šv. Jonas Paulius II šioje bažnyčioje meldėsi prie Dievo Gailestingumo paveikslo ir susitiko su lenkų kilmės lietuviais ir Lietuvos lenkais katalikais (prie bažnyčios įėjimo įrengta šio įvykio atminimo lenta). 2015 m. Krokuvos arkivyskupas kardinolas Stanislawas Dziwiszas parapijai padovanojo šv. Jono Pauliaus II kraujo relikviją. Relikvijorius su šia parapijiečiams itin brangia relikvija įkomponuotas į šv. Jono Pauliaus II altorių dešinėje bažnyčios navoje.