Kościół zalicza się do Szlaku Jezuitów w Wilnie oraz Szlaku Świętych Wileńskich.

To drugi Kościół w Wilnie (po św. Janach) założony przez Jezuitów, zbudowany ku czci patrona Litwy św. Kazimierza. Jego budowę rozpoczęto zaraz po kanonizacji św. Kazimierza w 1604 r. Kościół uważany jest za najważniejszą świątynię Jezuitów w Wielkim Księstwie Litewskim. Budowa Kościoła oraz domus professa zbiegła się z założeniem litewskiej prowincji Jezuitów. Domus professa był najważniejszą i najbardziej znaczącą jednostką strukturalną prowincji Jezuitów, ponieważ mieszkał w nim Prowincjał i inni zakonnicy, którzy przeszli wszystkie etapy formacji zakonnej i złożyli ostatnie uroczyste śluby: trzy proste zakonne i czwarty – posłuszeństwo papieżowi (łac. professio).

Kościół św. Kazimierza został wzniesiony na wzór Kościoła Il Gesu w Rzymie (Kościół Najświętszego Imienia Jezus) i należy do najnowocześniejszych świątyń wczesnego baroku, zbudowanych na planie krzyża z kopułą. Po ostatnim pożarze w 1749 r., Kościół został zrekonstruowany, wzniesiono nową kilkustopniową kopułę, zwieńczoną koroną wielkoksiążęcą. Jest to jedna z najwspanialszych kopuł w Europie.

W XVII w. pod wielkim ołtarzem Jezusa Ukrzyżowanego znajduje się miejsce pochówku Jezuitów, ozdobione jednobarwnymi wizerunkami Ukrzyżowanego Jezusa, Zmartwychwstania Jezusa, Najświętszej Maryi Panny oraz klęczących i modlących się w trumnie zmarłych zakonników. Przypuszcza się, że krypta została zalana w trakcie odbudowy Kościoła po najeździe Rosjan i Kozaków w połowie XVII w. Krypta została przypadkowo odkryta w 1991 r. Ponownie pochowano w niej około 200 szczątków, znalezionych w innych piwnicach Kościoła. W krypcie czczona jest relikwia św. Andrzeja Boboli, który w 1622 r. w tym właśnie Kościele przyjął święcenia kapłańskie i pracował tu 12 lat.

W XVIII w. w Kościele św. Kazimierza zbudowano 13 murowanych ołtarzy, zachował się jedynie główny ołtarz i dwa znajdujące się po lewej i prawej stronie ołtarza głównego. Niektóre obrazy zniszczonych ołtarzy obecnie wiszą w Kościele św. Janów. W głównym ołtarzu barokowym z XVIII w. – widnieją dzieła znanego współczesnego artysty Antoniego Kmieliauskasa.

Po powstaniu z 1831 r. Kościół został zamknięty, a w latach 1864-1868 przebudowany na Sobór św. Mikołaja. Obniżono wówczas wieże, zastąpiono znajdującą się na kopule mitrę wielkoksiążęcą prawosławną kopułką. W okresie międzywojennym Kościół zwrócono katolikom, w okresie radzieckim działało tu Muzeum Ateizmu, a po odzyskaniu przez Litwę niepodległości Kościół powrócił do Jezuitów.