Храм был основан орденом общества Иисуса в самом конце XVII века, как часть архитектурного комплекса, ставшего опорным пунктом иезуитов в Минске и значимым образовательным центром. Интерьер собора был украшен богатыми росписями, а также скульптурами 12 апостолов, выполненными в дереве.
К концу XVIII века в Европе начались гонения на иезуитов, орден был на какое-то время упразднен, а минский храм стал приходской церковью. Однако, уже в 1798 году создается Минский диоцез – самостоятельная церковно-административная единица – и костел получает статус кафедрального собора, посвящается Пресвятой Деве Марии, после чего в нем были проведены реконструкционные работы.
В середине XIX века после закрытия огромного количества католических костелов, собор Девы Марии остается на ближайшие 50 лет единственным очагом католической веры в Минске. В период становления Советской власти и на протяжении II Мировой войны в храме не прекращались богослужения.
В середине XX века костел был переоборудован в спортивный комплекс «Спартак», его внешний облик изменился до неузнаваемости, внутренне убранство было разграблено, уникальные фрески закрашены краской.
В лоно католической церкви собор вернулся лишь в 1993 году. На фронтоне был установлен крест, в ходе последующих реставрационных работ храму вернули его исторический облик. По настоящее время он является главным католическим храмом Беларуси.