In der Zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war die Weimarer Katholische Gemeinde relativ stark gewachsen, so dass ein neuer Gottesdienstraum erforderlich war. Nach langen und teilweise schwierigen Verhandlungen konnte endlich ein geeigneter Baugrund erworben werden: neben der ehemaligen Lottenmühle, die 1887 als Pfarrhaus gekauft worden war. Als Baumeister für die Kirche wurde der Frankfurter Architekt Max Meckel gewonnen, der für den Außenbau seinen Entwurf im Stil der italienischen Renaissance vorlegte, wie es einem speziellen Wunsch des Weimarer Großherzogs entsprach. Das direkte Vorbild der neuen Kirche war der Dom von Florenz, von dem Meckel die Form der Kuppel und des Glockenturms übernahm - bis heute zwei wesentliche Blickpunkte für die nähere Umgebung der Kirche. Am 27. September 1891 fand die Einweihung der Kirche durch den Fuldaer Bischof Dr. Weyland statt.

Eine erste Renovierung fand gegen Ende der 1930er Jahre statt. Am 9. Februar 1945 wurde das nördliche Seitenschiff durch Bomben beschädigt, jedoch nach Kriegsende rasch wieder instand gesetzt. Mehrere Umgestaltungen und Renovierungen in den letzten Jahrzehnten führten zur heutigen Gestalt und Ausstattung.