L'édifice actuel, datant pour l'essentiel du XVIII siècle, est venu remplacer la chapelle de l'ancien couvent qui menaçait ruine. La première pierre en fut posée le 6 octobre 1759 et la consécration eut lieu le 4 juin 1789. Elle était appelée église Saint-Louis, en hommage à Louis Le Dauphin qui avait contribué financièrement à son édification.
La Révolution chasse les Augustins, l'église étant convertie en un entrepôt puis en annexe de l'hôpital général à l'occasion du siège de Lyon en 1793, le reste des bâtiments monastiques étant affecté à l'armée avant que de devenir l'école de la Martinière, en 1831.
Après le rétablissement du culte, le conseil de Fabrique dut faire face à un accroissement notable du nombre des paroissiens de par la suppression des paroisses Notre-Dame de la Platière et Saint-Vincent. De 1861 à 1882 la nef est prolongée et la façade actuelle édifiée par l'architecte Franchet.
L'église prend le vocable de Notre-Dame-Saint-Vincent en 1863 afin d'éviter toute confusion avec celle de la Guillotière, l'église Notre-Dame Saint-Louis. Entièrement dévastée par un incendie le 12 décembre 1987, sa rénovation fut entreprise par la ville de Lyon et l'édifice fut réouvert au culte le 29 novembre 1992.
