Po kasacie unii przez władze carskie w XIX wieku, zespół klasztorny został siłą odebrany unitom i przekazany wyznawcom prawosławia. W latach 1823–1824 jedno ze skrzydeł klasztornych zostało zamienione przez Rosjan na więzienie, w którym przetrzymywano aresztowanych członków Towarzystwa Filaretów. Wśród uwięzionych tam studentów znalazł się Adam Mickiewicz, a traumatyczne wydarzenia z tego śledztwa zainspirowały go do napisania III części „Dziadów”.
Po burzliwym okresie radzieckim, kiedy obiekt zaadaptowano na cele świeckie, kompleks ostatecznie powrócił w ręce zakonu bazylianów, którzy do dziś prowadzą tu posługę i odbudowują zabytkowe wnętrza. Pochodząca z 1761 roku, trzykondygnacyjna Brama Bazyliańska projektu Jana Krzysztofa Glaubitza to arcydzieło baroku wileńskiego o falującej, wklęsło-wypukłej fasadzie, zwieńczonej dekoracją stiukową przedstawiającą Trójcę Świętą i kulę ziemską.
Pierwsza świątynia prawosławna w tym miejscu została zbudowana w 1346 r. przez wielkiego księcia Olgierda, według tradycji z inicjatywy jego żony Julianny. Obecnie stojący budynek zawiera fragmenty gotyckich murów wzniesionych na koszt hetmana Konstantego Iwanowicza Ostrogskiego w XVI wieku. W 1513 r. w soborze została pochowana Helena Moskiewska, żona króla polskiego i wielkiego księcia litewskiego Aleksandra Jagiellończyka. W latach 1607–1794 była unickim soborem metropolitarnym. W 1748 r. cerkiew spłonęła. W 1785 r. została odbudowana w stylu barokowym. Cerkiew została zbombardowana przez wojska rosyjskie podczas insurekcji kościuszkowskiej.
Zaniedbana cerkiew została w 1808 r. kupiona przez Uniwersytet Wileński, który po klasycystycznej przebudowie w 1822 r. według projektu Karola Podczaszyńskiego umieścił w jej wnętrzach anatomicum, audytorium oraz bibliotekę. Po zlikwidowaniu uniwersytetu w ramach represji po powstaniu listopadowym, budynek otrzymała Akademia Duchowna, a po przeniesieniu jej do Petersburga w 1842 r. budynek przeznaczono na rosyjskie koszary wojskowe, mieszkania i bibliotekę. Z inicjatywy rosyjskiego gubernatora Michaiła Murawjowa, według projektu Aleksandra Riazanowa i Nikołaja Czagina powstała w latach 1865–1868 obecna cerkiew w stylu gruzińskim. We wnętrzu znajdują się tablice pamiątkowe żołnierzy rosyjskich poległych w powstaniu styczniowym.
W wyniku likwidacji Unii w zaborze rosyjskim świątynię przekazano prawosławnym, a z czasem zyskała ona status parafialnej. W 1860 roku dobudowano absydę, a budynek przeszedł gruntowną przebudowę nadającą mu styl rusko-bizantyjski. Inicjatorem tych XIX-wiecznych zmian był Michaił Murawiew, który pragnął w ten sposób podkreślić przynależność Wilna do Rosji. Po zamknięciu świątyni w czasach radzieckich i generalnym remoncie, cerkiew została ponownie udostępniona wiernym w 1947 roku. Obecnie obiekt charakteryzuje się rusko-bizantyjską architekturą, biało-różowo-czerwoną elewacją oraz bogatymi dekoracjami.
Budowla stanowi jedno z najwybitniejszych osiągnięć architektury gotyckiej w Wilnie o znaczeniu europejskim. Ze względu na włączenie w mury obronne miasta, kościół zyskał unikalny charakter obronny z licznymi otworami strzelniczymi pod dachem i wieżyczkami. Wewnątrz świątyni znajdują się cenne, unikalne gotyckie malowidła ścienne z XVI wieku.
W XIX wieku, po upadku powstań narodowych, władze carskie dokonały kasaty zakonu i zamknęły klasztor. Po II wojnie światowej reżim sowiecki drastycznie zdewastował zabytek, przekształcając go w magazyn Instytutu Sztuk Pięknych. Świątynia została pomyślnie zwrócona franciszkanom w 1994 roku, po czym ponownie ją konsekrowano i poddano renowacji. Do współczesnych skarbów wnętrza należy trzynaście późnobarokowych ołtarzy, które przetrwały trudne okresy dziejowe.
Po pożarze w 1563 roku odbudowano zwalone sklepienia, a w 1581 roku kościół został oficjalnie poświęcony. W XVIII wieku wybitny architekt Jan Krzysztof Glaubitz wzniósł wewnątrz świątyni trzy nowe, późnobarokowe ołtarze.
Według znanej legendy architektura kościoła tak zachwyciła Napoleona, że pragnął on przenieść budowlę w całości do Paryża.
Świątynia wyróżnia się wyjątkową, koronkową fasadą, do której dekoracji użyto aż 33 rodzajów ceglanych kształtek.
Obok kościoła wznosi się neogotycka dzwonnica z 1874 roku zaprojektowana przez Nikołaja Czagina.
W bliskim sąsiedztwie tego zabytku znajdują się również kościół Bernardynów oraz pomnik Adama Mickiewicza.
Od 1611 roku była to jedyna prawosławna świątynia w Wilnie, a w 1634 roku na jej miejscu powstała nowa, murowana budowla. Po zniszczeniach dokonanych przez Szwedów obiekt odbudowano dzięki pomocy cara Piotra I, lecz w latach 1748–1749 cerkiew ponownie strawiły pożary. Odbudową kierował znany architekt Jan Krzysztof Glaubitz, który zaprojektował także zachowany do dziś barokowy ikonostas. W XIX wieku świątynia doznała kolejnych strat z rąk armii napoleońskiej, po czym przeszła przebudowy, w tym usunięcie z fasady barokowych elementów w ramach rusyfikacji.
W 1850 roku arcybiskup Józef uczynił cerkiew sanktuarium trzech wileńskich męczenników. Święci Antoni, Jan i Eustachy to XIV-wieczni dworzanie wielkiego księcia litewskiego Olgierda, którzy zostali straceni za odmowę wyparcia się wiary chrześcijańskiej i powrotu do pogaństwa. Są oni uznawani za pierwszych męczenników prawosławnych na ziemiach litewskich, a ich niezłomna postawa przyczyniła się do umocnienia chrześcijaństwa w tym regionie. Ich cudownie zachowane relikwie stanowią dziś główne sanktuarium wileńskiej cerkwi Świętego Ducha, przyciągając wiernych z całego świata. Ich relikwie, ewakuowane podczas I wojny światowej do Moskwy, powróciły na miejsce w 1946 roku decyzją władz radzieckich.
Wnętrze świątyni, zbudowane na planie krzyża łacińskiego, skrywa m.in. 20 ikon autorstwa Iwana Trutniewa. Przy cerkwi, która ostatnią renowację przeszła w latach 90. XX wieku, do dziś nieprzerwanie działa męski monaster.
Trójnawowe wnętrze ma jednolity, rokokowy wystrój z XVIII wieku, zrealizowany według projektu Jana Krzysztofa Glaubitza po pożarze wcześniejszego wyposażenia. Sklepienie zdobią freski przedstawiające żywot patronki, a w ołtarzach znajdują się cenne malowidła m.in. Szymona Czechowicza.
Świątynia ulegała zniszczeniom, m.in. w 1812 roku przez wojska napoleońskie, a w XIX wieku władze carskie zamknęły przyległy klasztor karmelitów bosych, a kościół przekazano prawosławnym.
Po śmierci marszałka Piłsudskiego tymczasowo przechowywano tu jego urnę z sercem, złożoną na cmentarzu na Rossie. W latach 1935–1942 zakonnicy na krótko odzyskali kościół. Podczas II wojny światowej Niemcy aresztowali zakonników, a po wkroczeniu Armii Czerwonej w 1946 roku zostali oni zmuszeni do opuszczenia ZSRR. Od 1948 roku kościół znajduje się pod zarządem kleru litewskiego.
Świątynia, zaprojektowana przez wybitnych architektów, była pierwszym w pełni barokowym kościołem w Wilnie i wzorowano ją na rzymskim kościele Il Gesù.
Charakterystycznym elementem architektury jest okazała kopuła, którą wieńczy okazała mitra wielkoksiążęca symbolizująca patrona kraju.
Na przestrzeni wieków kościół wielokrotnie cierpiał z powodu wojen oraz niszczycielskich pożarów, m.in. w 1655 i 1706 roku. Po stłumieniu powstania styczniowego władze carskie dokonały przebudowy świątyni i przekształciły ją w prawosławną cerkiew św. Mikołaja. Przez długie lata budynkiem opiekowali się zakonnicy z Zakonu Jezuitów, którzy prowadzili przy nim swój klasztor, wśród nich znajdował się św. Andrzej Bobola, patron Polski.
W czasach sowieckich obiekt odebrano wiernym i zaaranżowano w jego wnętrzach Muzeum Ateizmu. Kościół został ostatecznie zwrócony katolikom w 1988 roku.
We wnętrzu kościoła podziwiać można wspaniały, barokowy ołtarz główny oraz liczne zabytkowe obrazy i rzeźby o dużej wartości artystycznej.
Świątynia odegrała ważną rolę w historii regionu, będąc między innymi miejscem modlitwy i wsparcia dla uczestników słynnego strajku dzieci wrzesińskich. Współcześnie fara jest nie tylko prężnie działającym ośrodkiem życia religijnego, ale także kluczowym punktem na turystycznej mapie Wrześni.
