Vienuolynas įkurtas ant Švč. Trejybės kalno, žinoto kaip trijų pirmųjų Lietuvos krikščionių kankinių mirties vieta, kurioje jų atminimui DLK Algirdo žmonos Julijonos iniciatyva XIV a. vid. pastatyta medinė Švč. Trejybės cerkvė, vėliau - vienuolynas.

1514 m. Vilniaus kašteliono, LDK etmono Konstantino Ostrogiškio (apie 1460-1530) fundacija pradėta mūrinės cerkvės ir vienuolyno statyba, veikė šv. Trejybės brolija, įkūrusi mokyklą, biblioteką, spaustuvę. Po 1596 m. bažnytinės unijos, 1607 m. į šią vietą atsikėlė bazilijonai unitai, 1610 m. - bazilijonės.

Vilniaus bazilijonų vienuolynas tapo unitų bažnyčios ir 1617 m. įkurtos bazilijonų Švč. Trejybės provincijos centru: nuo 1607 m. ruošė naujokus, leido knygas lotynų, gudų, ukrainiečių, lenkų ir lietuvių kalbomis. 1821 m. bazilijonų vienuolynas uždarytas, bažnyčia perduota stačiatikiams, vyrų vienuolyno sparne įrengtas kalėjimas. Jame 1823-1824 m. kalinti Vilniaus universiteto studentų filomatų organizacijos nariai, tarp jų - Adomas Mickevičius (1798-1855), kalėjimo vietą aprašęs "Vėlinėse", Ignotas Domeika (1802-1889), Aleksandras Boreika Chodzka (1804-1891), 1831 m. sukilimo dalyviai. 1838-1839 m. čia kalintas Simonas Konarskis (1808-1839).

1839 m. vyro vienuolyno pastatai atiteko stačiatikiams, veikė jų vienuolynas, 1845 m. perkelta stačiatikių seminarija. 1842 m. panaikintas bazilijonių vienuolynas, pastatai perduoti stačiatikių bažnyčiai. 1919-1944 m. vyrų vienuolyno pastatuose įsikūrė Baltarusių gimnazija, nuo 1921 m. ir Ivano Luckevičiaus gudų muziejus. 1946-1960 m. - Pedagoginis institutas, 1964-1969 - Kauno politechnikos instituto Vilniaus filialas, nuo 1969 - Vilniaus inžinierinis statybos institutas. Nepriklausomybės laikotarpiu bažnyčia ir vyrų vienuolyno pastas grąžintas Vilniaus archivyskupijai. Šiuo metu vyrų vienuolyno P korpuso R dalyje įsikūrę vienuoliai bazilijonai, likusiame pastate - "ISM" aukštoji mokykla.

Vyrų vienuolyno namo fasaduose yra memorialinės lentos Adomui Mickevičiui (1992 m.), Maksimui Hareckiui, Natalijai Arsenjevai, Švč. Trejybės cerkvės fasade - Juozapatui Kuncevičiui, Šiaurės vartų tarpuvartėje - Ignotui Domeikai (2002 m.).