Op de plaats van de huidige Lodewijkkerk werd in 1477 een kapel van het Sint Jacobsgasthuis gesticht, gewijd aan Sint Jacob. Kapel en gasthuis werden in 1547 verkocht aan de parochie van de Pieterskerk en vervolgens in 1567 aan de stad Leiden, die de kapel vervolgens tot graanpakhuis en later tot Saaihal bestemde. De voorgevel van de kerk stamt uit 1538, de toren uit 1594 en het klokkenspel uit 1598.
De historie van de huidige Lodewijkskerk is nauw verbonden met de Leidse kruitramp van 1807. Deze ramp verwoestte een groot gedeelte van de binnenstad, waaronder de schuilkerk van de katholieken aan de Nieuwe Rijn. De Saaihal was zwaar beschadigd, maar de toren stond nog overeind. Op verzoek van koning Lodewijk Napoleon werd het gebouw weer opgebouwd om de ontheemde katholieken plaats te bieden. Het nieuwe interieur werd ontworpen door de architect Giudici, die door Lodewijk Napoleon was aangesteld. De kerk werd vervolgens gewijd aan Lodewijks schutspatroon, Lodewijk de Heilige.
Na de restauratie en uitbreiding van 1957 huisvest de kerk de Parochie Heilige Lodewijk.