L'église est édifiée tout d'abord pour remplacer la chapelle du couvent des Grands Augustins, qui menacet ruine. La première pierre est posée en 1759 et la consécration a lieu en 1789.
En 1791, tandis que la Révolution chasse les Augustins, l'église est faite paroissiale pour compenser la suppression des paroisses Notre-Dame de la Platière et Saint-Vincent.
Ce n'est qu'en 1863, à l'occasion de travaux pour rallonger la nef, que l'église prend son vocable actuel de Notre-Dame-Saint-Vincent pour éviter une confusion avec l'église Notre-Dame-Saint-Louis, construite quelques années auparavant.