Les Antonins, moines hospitaliers dépendant de l'ordre de Saint-Antoine en Viennois, s'installent à cet emplacement en 1279 à la demande de l'archevêque de Lyon. La principale fonction des bâtiments fut l'accueil et les soins aux malades ; les Antonins se chargeaient des victimes du feu Saint-Antoine (ou mal des ardents, et ergotisme gangréneux). A la fin du XIIIe siècle, le pape Boniface VIII accorde aux Antonins la possibilité de construire des chapelles et d'établir des cimetières dans toutes leurs maisons ainsi que dans celles qu'ils ouvriraient par la suite. Le document le plus ancien représentant la préceptorie avant la reconstruction du XVIIe siècle est le plan scénographique de Lyon datant du milieu du XVIe siècle.

Les bâtiments tels qu'ils se présentent aujourd'hui datent de la campagne de travaux initiée par le père supérieur Bazille Gralliat qui demande, en 1644, à adapter les bâtiments aux fonctions d'hôpital et de couvent. Les travaux principaux, probablement conçus par le supérieur Gralliat et exécutés par le maître maçon Claude Chana, sont autorisés en 1644 et achevés en 1647. La participation du sculpteur et architecte Jacques Mimerel n'est pas bien définie. L'église est consacrée en 1654 peu de temps après la construction de son beffroi. Le reste des travaux s'échelonnent jusqu'en 1665. La construction des immeubles s'élevant 62, 64 et 66 rue Mercière est autorisée le 18 juillet 1645. Dès 1652, ils sont loués à des particuliers. Quatre magasins de grandes dimensions sont attestés sur le quai Saint-Antoine au rez-de-chaussée. A partir de 1679, les deux magasins centraux sont occupés par la douane. Une autorisation pour des travaux non définis est donnée pour le bâtiment de la rue du Petit-David le 21 juin 1661 ; en juillet, les Antonins peuvent élever de nouveaux bâtiments rue Mercière et quai Saint-Antoine. La dernière autorisation date du 17 décembre 1665 et concerne la rue Mercière. Le 17 août 1644, l'autorisation est donnée d'abattre les bâtiments antérieurs. Dans la seconde partie du XVIIe siècle, les efforts se portent sur la bibliothèque pour son aménagement et pour l’acquisition d'ouvrages. Un incendie survient en 1694 ; quelques travaux de réfection sont réalisés au début du XVIIIe siècle. En 1758, de gros dégâts sont causés à la toiture et aux vitres par les intempéries ; les Antonins souhaitent emprunter de l'argent pour faire face aux réparations. Entre la fin du XVIe et le milieu du XVIIe siècle, le nombre d'Antonins à Lyon est stable, se situant entre quatorze et dix-huit ; en 1768, ce nombre descend à onze. Le puits semble avoir été installé au milieu du XVIIIe siècle. Les hospitaliers de Saint-Antoine étant rattachés à l'ordre de Malte, les hospitaliers de Saint-Jean de Jérusalem occupent les lieux à partir de 1777. Du 2 au 15 juin 1796, l'ensemble est vendu comme bien national. Le narthex est acheté par Rusand ou Buzand, imprimeur du roi et du clergé, tandis que l'église est acquise par un ferrailleur appelé Robert. En 1843, l'église et le premier étage du corps de bâtiment ouvrant sur la Saône sont achetés par le Cercle musical (salle de concert) ; un garde-corps du premier étage carré quai Saint-Antoine et la porte de l'ancien théâtre sont ornés du monogramme CM. Le théâtre du Gymnase prend la suite en 1871, suivi par plusieurs troupes de passage jusqu'en 1887, date à laquelle le théâtre de Guignol s'y installe jusqu'en 1966. Des bains-douches sont installés dès le début des années 1830 au premier étage du lot comprenant l'église, six cabines donnant sur la cour et six autres sur la rue du Petit-David ; ils seront maintenus jusqu'au milieu du XXe siècle. Une fondation destinée à accueillir des "garçons pauvres, infirmes et incurables de la paroisse de Saint-Nizier" est créée par Gabriel Richard dans son testament du 6 mars 1847 ; elle dispose de plusieurs locaux dont un 30 quai Saint-Antoine jusqu'en 1873. A la fin des années 1960 ou au début des années 1970, la cour est dégagée de toute construction annexe et notamment des bains-douches, la vue sur l'élévation nord de l'église étant ainsi dégagée.