Historia kościoła sięga początku XVI wieku. Ks. Chodyniecki w „Historii miasta Lwowa” pisze: „Smutny wypadek w miejscu tym wydarzony, stał się początkiem kościoła tego. Wyzwoleńcy profesji krawieckiej, poróżniwszy się z majstrami swemi, wyszli na wędrówkę do cudzych krajów, będąc atoli od stróżów nocnych w tym miejscu zaskoczeni, wdali się w bitwę w której kilku zbiegów było zamordowanych. W 1507 roku cech krawiecki wystawił tamże ku czci św. Anny mały kościółek…”.
W 1509 r. hospodar wołoski Bohdan III spalił przedmieście krakowskie, również kościółek św. Anny. Odbudowano go częściowo w kamieniu, częściowo w drewnie. Dopiero w 1599 r. został kapitalnie przebudowany i poświęcony przez arcybiskupa Jana Solikowskiego.
W 1648 r. kościół ponownie został spalony podczas oblężenia Lwowa przez kozaków Chmielnickiego. Dopiero w latach 1670-71 świątynię odbudowano i król Michał Korybut Wiśniowiecki przekazał ją zakonowi ojców Augustianów-Eremitów. Zgody udzielił lwowski arcybiskup Wojciech Koryciński. Nowi gospodarze nadali kościołowi kształt skromnej barokowej świątyni z niewielką okrągłą wieżą. Obok powstały piętrowe zabudowania klasztorne. Nie zachowały się, niestety, opisy zdobnictwa i wyposażenia kościoła z XVIII w. Wiadomo tylko, że w ołtarzu głównym znajdował się cudowny obraz Najświętszej Marii Panny z Dzieciątkiem, o którym Stanisław Barącz pisał: „W kościele św. Anny, niegdyś Augustianów, jest piękny obraz w stylu bizantyjskim, umieszczony w ołtarzu, wyrażający Matkę Boską z Chrystusem na ręku, trzymającym berło, w złotych koronach”.
W 1730 roku świątynię przebudowano i odnowiono. Możliwe, że wtedy pomieszczenia klasztorne ozdobiono freskami w stylu barokowym. Biblioteka klasztorna była jedną z najlepszych we Lwowie i liczyła 3916 tomów. Wśród nich było kilkanaście rękopisów z XVI w. W 1772 r. konwent liczył siedmiu ojców i dwóch braci.
W 1783 r. nastąpiła kasata, zarządzona przez władzę austriacką na podstawie rozkazu cesarza Józefa II. Zakonników przeniesiono do innych klasztorów, bibliotekę przekazano do Uniwersytetu Lwowskiego. W 1786 r. utworzono kaplicę, a w pomieszczeniach klasztornych umieszczono trzyklasową szkołę trywialną i mieszkania dla księży.
W 1820 utworzono parafię. Jej własnością był niewielki ogród, który zajmował obszar 1 morga 1105 sążni kwadratowych i sięgał terenu wojskowych koszar przy ul. Grodeckiej i Janowskiej. W 1810 r. przed kościołem wystawiono figurę św. Jana Nepomucena. Kolejne remonty świątyni prowadzono w latach 1824 i 1853-62. Wtedy dobudowano wieżę i zachodnią część świątyni razem z absydą prezbiterialną. Wieżę zakończono smukłym barokowym hełmem. Ustawiono na niej zegar o trzech tarczach i umieszczono cztery nowe dzwony. Najstarszy z 1663 r., pochodził z ludwisarni znanego lwowskiego mistrza Franke. Dwa mniejsze też odlano w jego pracowni. Czwarty dzwon z 1841 r. wykonał Jan Jaroszewski z Lubaczowa. Mechanizm zegarowy miał jeszcze dwa dzwony o wadze 83 i 48 kg. Nowe organy zbudował Roman Ducheński.
