Barokowy kościół św. Trójcy został zbudowany w 1536 roku, w czasach Zygmunta Starego z fundacji Ulryka Hozjusza, zarządcy mennicy w Wilnie, a zarazem ojca kard. Stanisława Hozjusza. Budowa została  wsparta także przez króla. Obiekt jest niewielką świątynią włączoną w ciąg kamienic przy ulicy Dominikańskiej. Przy kościele został założony szpital i oddany w ręce dominikanów z położonego po sąsiedzku klasztoru św. Ducha. W XVII wieku kościół został przejęty przez kler diecezjalny. W 1748 i 1749 roku świątynia została uszkodzona przez pożar, a następnie przebudowana. Podstawą utrzymania kościoła i szpitala były dochody z myta za przejazd przez tzw. Zielony Most prowadzący na Śnipiszki.

Po III rozbiorze szpital został zlikwidowany przez Rosjan, a w 1821 roku zamknięto także kościół. W połowie XIX wieku został on przeznaczony na cerkiew prawosławną (pod wezwaniem Zwiastowania Pańskiego). Przeprowadzona wówczas przebudowa bardzo mocno zmieniła architekturę kościoła. Po I wojnie światowej do kościoła powrócili katolicy, ale w 1945 roku został on ponownie zamknięty przez władze sowieckie. W 1971 roku świątynię odrestaurowano, między innymi odtworzono wówczas gotycką absydę. Po odzyskaniu niepodległości przez Litwę świątynia została przejęta przez kościół katolicki.

18 kwietnia 2004 roku została ona rekonsekrowana przez metropolitę wileńskiego kardynała A. Bačkisa. 28 września 2005 roku jego decyzją przeniesiono do kościoła św. Trójcy pierwszy obraz Miłosierdzia Bożego, namalowany w 1934 roku przez wileńskiego malarza Eugeniusza Kazimirowskiego według osobistych wskazówek św. Faustyny. Jednocześnie utworzono w tej świątyni sanktuarium Miłosierdzia Bożego. Wcześniej obraz znajdował się w polskim kościele św. Ducha. Decyzja o przeniesieniu obrazu wzbudziła liczne protesty Polaków na Litwie.   

Kościół św. Trójcy w Wilnie znajduje się przy ul. Dominikonų 12 (Dominikańskiej 12).

Zdjęcia wykonano w kwietniu 2010 roku.