Pirmoji Šv. apaštalo Baltramiejaus bažnyčia šioje vietoje sudegė karo su Maskva metu, apie 1665 m. 1778 m. pagal architekto Martyno Knakfuso ankstyvojo klasicizmo projektą pastatyta vienuolių oratorija, perstatyta į bažnyčią 1823–1824 m. tėvo Augustino Stodolniko rūpesčiu. 1881 m. bažnyčios fasade pristatytas istorizmo stiliaus bokštas. 1949 m. bažnyčia uždaryta. Tarybų Sąjungos okupacijos metu čia veikė skulptorių dirbtuvės. 1997 m. Šv. Baltramiejaus bažnyčia perduota Vilniaus baltarusių katalikų bendruomenei.
