Do planu architektonicznego tej świątyni będzie później nawiązywać wiele barokowych kościołów Wilna i z terenu Wielkiego Księstwa.
Po zniszczeniach dokonanych w 1655 przez wojska moskiewskie, które zdewastowały i częściowo spaliły kościół oraz po pożarze 1706 kościół został odnowiony przez Jana Krzysztofa Glaubitza, najsłynniejszego architekta tzw. baroku wileńskiego. Jezuita Tomasz Żebrowski w 1749 wieku wzniósł monumentalną kopułę z wysoką latarnią, zwieńczoną mitrą wielkoksiążęcą. Wnętrze otrzymało wówczas wystrój rokokowy, dodano dziesięć ołtarzy, a ściany ozdobiono freskami przedstawiającymi sceny z życia św. Kazimierza.
Po kasacie zakonu jezuitów w 1773 świątynia została przejęta przez augustianów. W 1812 armia francuska zniszczyła wnętrze i zamieniła kościół na magazyn zboża, a następnie na więzienie dla jeńców rosyjskich, co przyczyniło się do jeszcze większej dewastacji wnętrza. W ramach represji carskich po powstaniu listopadowym kościół został skonfiskowany katolikom, a po powstaniu styczniowym z rozkazu generał-gubernatora Michaiła Murawiowa, architekt rosyjski Mikołaj Czagin przebudował go na cerkiew św. Mikołaja, znacznie zniekształcając jego architekturę m.in. obniżając wieże, zastępując znajdującą się na kopule mitrę wielkoksiążęcą prawosławną kopułką oraz skuwając rokokowe ozdoby.