Находясь между улицами Малая Лубянка и Милютинским переулком, этот храм оставался действующим с момента своего открытия до сегодняшнего дня и является самым старым из сохранившихся католических храмов в столице.

Владения, на которых стоит храм, в XVIII веке принадлежали последовательно Тоевой, ее сестре княгине Несвицкой, секунд-ротмистру Лобкову, прокурорше Бахметьевой, а часть – Протасьевым. Французская община арендовала земли и в 1791 году построила здесь небольшой деревянный храм во имя Святого Людовика, почитаемого во Франции святого короля Людовика IX. Король жил в XIII в. и умер в крестовом походе за пределами Франции, что, возможно, и позволило московским французам избрать его своим патроном.

В 1806 г. церковь выкупила арендованные земли и в 1833–1836 годах построила новый каменный храм по проекту архитектора Александра Осиповича Жилярди. Здание в виде базилики с полуциркульной апсидой украшено по главному фасаду шестиколонным тосканским портиком и фланкировано небольшими колокольнями. Строительство храма проведено благодаря вкладам прихожан и займу в 50 тысяч рублей ассигнациями, выданному русским правительством на льготных условиях. Освящение состоялось 17 июня 1849 г., о чем напоминает мраморная доска в алтарной части церкви.

Одним из первых настоятелей церкви был аббат Адриен Сюррюг. Личность неординарная, он имел огромное влияние на московскую аристократию, многие представители которой приняли здесь католичество. Когда в 1812 году Наполеон, захватив Москву, пожелал встретиться с Сюррюгом, аббат отказался и спас храм от разграбления, выйдя к мародерам в парадном облачении с распятием в руках.

В первые годы советской власти настоятелем храма был француз Жан-Мари Видаль. Его принудили покинуть страну, продержав несколько месяцев в тюрьме. Службы продолжались, благодаря священникам из соседней католической церкви Св. Петра и Павла в Милютинском переулке.

В 1925 г. в Москву прибыл иезуит Мишель д’Эрбиньи с тайной миссией Ватикана совершить в стенах храма епископскую хиротонию, чтобы возродить католическую иерархию на территории страны. Первым епископом, получившим этот сан в храме Св. Людовика стал Пий Эжен Невё, приехавший с юга России.

С 1938 г. храм Св. Людовика оставался единственным действующим католическим храмом в Москве, а его настоятель американец отец Леопольд Браун – единственным католическим священником.

В настоящее время богослужения совершаются на многих языках, в том числе и русском. Прихожанами являются московские поляки, литовцы, сотрудники посольств. При храме есть воскресная школа.

В 2017–2018 гг. здесь проводились ремонтно-реставрационные работы, в ходе которых были отреставрированы кресты и подкрестные яблоки; белокаменная и кирпичная кладка; декоративные штукатурные элементы (руст, тяги, элементы карнизов). Воссоздан штукатурный слой на фасадах. Произведены ремонт кровли, устройство водостоков, изготовление подоконных отливов. Отреставрированы уникальные интерьеры.

В 2018 году церковь Святого Людовика стала лауреатом конкурса Правительства Москвы "Московская реставрация" в номинациях "лучшая организация ремонтно-реставрационных работ", "лучший проект реставрации и приспособления" и "высокое качество ремонтно-реставрационных работ".