L'église du couvent des carmes déchaussés est construite à partir de 1622, dans le prolongement de la maison du Grand Thunes. La première pierre est posée entre 1622 et 1625 par le chanoine-comte de Saint-Jean Edme de Foulquier, seigneur de Vitrey, sous le priorat de Valère de Sainte-Anne. Lorsque l'église est consacrée le jour de la Pentecôte de 1640, la construction de la nef et des deux chapelles latérales situées à l'ouest était probablement achevée. La chapelle Sainte-Thérèse est concédée à Barthélémy de Lumague le 1er juillet 1627 ; la chapelle Saint-Joseph est concédée à Pernette Boissier, veuve de Julien Gratiani le 15 septembre 1635. Le 26 avril 1637, les religieux passent convention avec l'abbesse de La Bénisson-Dieu, sœur du fondateur du couvent, le marquis de Nérestang décédé, pour le financement du portail, du chœur (grande chapelle), du maître-autel et du mausolée du fondateur. Les deux chapelles latérales situées à l'est ont vraisemblablement été ajoutées dans la deuxième moitié du 17e siècle : la chapelle Sainte-Geneviève est attestée en 1665 (Annales des carmes déchaussez, par Louis de Sainte-Thérèse), mais la chapelle des Trois-Marie est concédée à Jacques Regioli en 1666 seulement. Des travaux de décoration sont engagés à la fin du 17e siècle : commande d’un grand tabernacle en noyer en 1660-1663 (Jean Tiery, sculpteur), boiseries du chœur des religieux et de la sacristie en 1679. Cinq tableaux du 17e siècle ornaient les retables du chœur et des chapelles au moment de l’inventaire des œuvres d’art du couvent en 1791 (Le Guerchin, 1634 ; Vignon, 1636 ; Adrien Dassier,1653 et 1688 ; Perrier, 1656). Puis, l'église connaît une importante campagne d'embellissement et de décoration dans le deuxième quart du 18e siècle. En 1729-1730, une nouvelle façade est élevée par les architectes Jacque ou Jacob Roche (dit Roche l'aîné) et vraisemblablement Jean-Baptiste Roche, qui signe uniquement de son patronyme. La menuiserie de la porte est exécutée en 1732 par Claude et Joseph Rigollet. Le mobilier de l’église est presque intégralement renouvelé entre 1730 et 1743 : en 1731, deux tableaux ornant le chœur par Daniel Sarrabat et de leur encadrement de boiseries par Claude Ray, balustrade ou grille de communion par Marc II Chabry (auj. chapelle de l'hôtel-Dieu) ; en 1732, remplacement de la balustrade de la chapelle Sainte-Thérèse par Marc II Chabry ; entre 1733 et 1735, réalisation de la chaire à prêcher (auj. chapelle de l'hôtel-Dieu) sous la direction de Marc II Chabry, sur un dessin du sculpteur académicien Grillot ; en 1735-1736, commande de trois tableaux pour la nef à Trémolières (auj. église Sainte-Blandine) ; en 1742, devant d'autel réalisé par Pierre Fossati architecte et Marc II Chabry.
Pendant la Révolution française, le mobilier de l'église est entièrement dispersé. En 1803, à l'occasion de la vente du couvent à Jean-Baptiste Gargot, l’ensemble des marbres et boiseries demeurés en place, ainsi que deux statues d’anges adorateurs et trois tableaux (portrait en médaillon d’un religieux provenant du grand corridor, deux tableaux de moyen et grand format représentant sainte Thérèse) sont transférés à l’évêché à la demande du Cardinal Fesch. En revanche, la fontaine et les boiseries du réfectoire ainsi que les trois autels des chapelles Saint-Joseph, Sainte-Geneviève et des Trois-Maries sont cédés aux acquéreurs en compensation d’une importante dégradation du pavement de l’église. L’horloge du clocher et deux bénitiers en forme de coquille sont maintenus en place, mais restent propriété de la Nation sous la garde du nouveau propriétaire. Au milieu du 19e siècle, lorsque le couvent est transformé en caserne de passagers, l'église est subdivisée en cinq ou six compartiments servant de dortoirs. Après la restauration du couvent par les carmes déchaussés, l'église est officiellement réconciliée le 8 septembre 1859, le jour même où est signé l'acte de vente de la propriété aux pères carmes, et deux nouvelles cloches sont baptisées par le cardinal de Bonald. Les travaux de restauration du couvent et de l'église sont confiés à Pierre-Marie Bossan et à l'entrepreneur Bernard. Les caveaux situés sous l’église doivent être ouverts pour permettre l’écoulement des eaux de pluie, et livrent un grand nombre d’ossements de religieux et de fidèles. Une petite sacristie est construite dans l'intervalle des deux chapelles latérales sud et une chapelle supplémentaire est aménagée au sud du porche. En 1867, un tableau de Claudius Barriot est installé sur l'autel des âmes du Purgatoire (La Vierge secourant les âmes souffrantes). Pendant la guerre de 1870, l'église est dégradée par les volontaires italiens qui l'occupent, mais en 1874, Léopold Niepce la déclare en bon état de conservation général et propose de la rendre au culte. En 1907, l'église est entièrement détruite à l'occasion de la transformation du couvent en dépôt d'archives départementales, à l'exception de la partie inférieure de la façade, transformée en porche couvert d'une toiture en terrasse, et du clocher que l'architecte qualifie d'"ancienne horloge des mariniers lyonnais".
Conservatrice du patrimoine, chercheure au Service de l'Inventaire (2014- ).