Час узвядзення касцёла Святога Станіслава ў Вільні дакладна не вызначаны, па адной версіі ён быў пабудаваны ў сярэдзіне XIII стагоддзя князем Міндоўгам пасля хрышчэння Літвы. Па іншай - узведзены ў канцы XIV стагоддзя па загадзе вялікага князя літоўскага Ягайлы.
Хутчэй за ўсё будаўніцтва касцёла Святога Станіслава належыць усё ж Ягайлу, бо вядома, што Міндоўг хрысціўся і каранаваўся ў Наваградку, пра гэта кажа і пабудова прэсбітэрыя (прастора паміж нефам і алтаром) «каплічнага» тыпу ў еўрапейскай архітэктуры. Такі тып прэсбітэрыя ўпершыню быў выкананы ў сярэдзіне XIII стагоддзя пры будаўніцтве капліцы Сан-Шапель у Парыжы па загадзе Людвіга IX. Затым дадзены тып распаўсюдзіўся па Цэнтральнай Еўропе і больш за ўсё яго сталі выкарыстоўвалі ў будаўніцтве ордэна дамініканцаў і Францысканцаў, і, дзякуючы ім, дадзены тып прэсбітэрыя замацаваўся ў будаўніцтве сярэднявечча, а затым, у сярэдзіне XIV стагоддзя, распаўсюдзіўся ў храмавым будаўніцтве Вялікага Княства Літоўскага.
У сваёй аснове касцёл Святога Станіслава меў план квадратнай формы памерам 22,7 х 22,4 метра. З усходу да яго прымыкаў прэсбітэрый, які заканчваўся гранёнай апсідай (які прымыкае да асноўнага аб'ёму паніжаны выступ будынка, перакрыты паўкупалам (конхай) або стуленым паўсводам). З паўночнага боку да прэсбітэрыя была прыбудавана сакрыстыя (памяшканне, у якім захоўваюцца прадметы культу, якія выкарыстоўваюцца пры набажэнстве: святарскія адзення, начынне і інш.). Па восі сіметрыі заходняга фасада стаяла шмат'ярусная вежа.
Сцены храма мелі таўшчыню 1,6-1,7 метра і былі зробленыя з палявых камянёў, выкладзеных у гарызантальным парадку без цагляных праслоек. Аналагічная тэхніка мура прасочваецца ў Крэўскім, Лідскім, Меднінскім замках пачатку XIV стагоддзя. Пол быў выкладзены рознакаляровай паліраванай керамічнай пліткай таўшчынёй 4-6 см, памеры яе вар'іраваліся: 11 х 11, 12,2 х 12,2, 17 х 17, 19 х 19 см.паверхня часта была ўпрыгожана арнаментамі, характэрнымі для раманскага стылю.
Пасля пажару 1419 года, па загадзе вялікага князя літоўскага Вітаўта, у сувязі з планаванай каранацыяй, быў пабудаваны трохнефны гатычны сабор з гатычнай тэхнікай перавязкі швоў з цэглы вялікіх памераў. У новым саборы пресбитарий не сталі вылучаць у самастойны архітэктурны аб'ём. У адхонах і вокладках вокнаў выкарыстоўвалі цэглу, тарцы якой упрыгожылі арнаментам. (Аналагічная цэгла выкарыстоўвалася ў помніках паўночна-нямецкай готыкі.) Агульная даўжыня пабудаванага сабора складала 52 м, а шырыня 28 м.унутры ўзвышаліся апорныя слупы, якія падзялялі сабор на тры нефы. Кожны з якіх складаўся з васьмі слупоў. Такая лікавая сімволіка ў хрысціянстве азначае паняцце вечнасці, што і адлюстроўвае адну з функцый сабора, як пахавальні літоўскіх князёў. Пасля гэтай перабудовы Касцёл Святога Станіслава стаў выглядаць як велічная Рымская базіліка, што павінна было ў свядомасці людзей падтрымліваць міф пра паходжанне вялікіх князёў літоўскіх ад імператараў Старажытнага Рыма.
Будаўніцтва адбывалася пад наглядам самога князя Вітаўта. Дарэчы яго партрэт, як бы назіраючы за ўсім, што адбываецца, вісеў справа ад уваходу каля апорнага слупа і суправаджаўся надпісамі на латыні, якія перакладаліся так: «сваім – добры, ворагам – страшны, як вянкамі абвіў сябе перамогамі, пабудаваў гэтую базіліку». У гэтым жа саборы Вітаўт завяшчаў сябе пахаваць пасля смерці, што і было зроблена ў 1430 годзе. Пахавалі яго побач з жонкай, Смаленскай княгіняй Ганнай.
У 1522 годзе пачаўся рамонт касцёла і побач стаіць абарончай вежы Ніжняга замка з мэтай перарабіць яе пад званіцу. У 1529 годзе ў касцёле, дзе яшчэ не быў завершаны рамонт, была праведзена цырымонія ўзвядзення на прастол вялікага князя літоўскага дзесяцігадовага Жыгімонта Аўгуста. У 1530 годзе рамонт быў перапынены пажарам, які закрануў касцёл і значную частку горада. У працэсе рамонту былі пераробленыя некалькі старых капліц і пабудаваны новыя. Пасля рэканструкцыі пад кіраўніцтвам італьянскіх архітэктараў Джавані чыні і Бернарда Занобі Касцёл Святога Станіслава набыў стылістычныя прыкметы рэнесансу. У 1610-ым годзе касцёл зноў гарэў і яго рамонт працягваўся да 1632. У гэты перыяд рэстаўрацыяй займаўся Вільгельм Поль, і ў цэлым сабор набыў барочныя рысы, а з 1623 па 1636 год да паўднёвага фасада прыбудавалі яшчэ капліцу Святога Казіміра.
Пасля нашэсця рускіх войскаў у 1655 годзе (вайна Маскоўскага княства з Рэччу Паспалітай), касцёл зноў рэканструяваўся пад кіраўніцтвам Яна Вінцэнта Сельведэра.
Наступны рамонт адбыўся пасля шведскай аблогі ў 1701-1702-ым годзе. А ў 1769 годзе на капэлу абвалілася Паўднёвая вежа, якая стаяла на рогу фасада, пахаваўшы пад абломкамі шасцярых ксяндзоў.
У 1782-ым годзе, па праекце архітэктара Лаўрынаса Стуокі-Гуцявічуса, прафесара Віленскага ўніверсітэта, Касцёл Святога Станіслава пачалі перабудоўваць ужо ў стылі класіцызму. Змены закранулі галоўны заходні фасад, да якога былі прыбудаваны дзве капэлы і шасцікалонны Порцік. Усе капэлы, якія знаходзіліся на тэрыторыі сабора, былі аб'яднаны пад агульным дахам і вонкавымі сценамі. Насупраць капэлы Святога Казіміра прыбудавалі сакрыстыю з купалам для поўнай сіметрыі. Зноўку былі дэкараваны скляпенні нефаў. Архітэктар Стуокі-Гуцявічус не дажыў да завяршэння рамонту, і пасля яго смерці працягнуў рэканструкцыю яго пераемнік Міхаіл Шульц. Работы былі скончаны ў 1801 годзе, тады касцёл і набыў канчатковы выгляд, які мы можам бачыць сёння.