Projekt wykonał w popularnym wtedy stylu neogotyckim lwowski architekt Wincenty Rawski (starszy). Kaplica przylegała do gmachów klasztornych od strony wielkiego sadu.
24 maja 1864 kościół poświęcił Najświętszemu Sercu Pana Jezusa i Najświętszej Marii Pannie arcybiskup Franciszek Ksawery Wierzchleyski. W latach 1884–1897 architekci Jan Lewiński i Jan Kudelski przebudowali pomieszczenia kaplicy i klasztoru.
W okresie międzywojennym w kompleksie klasztornym mieściło się elitarne gimnazjum i internat dla dziewcząt. W czasie okupacji niemieckiej w budynkach klasztoru ulokowano szpital wojskowy. Ukrywał się tu przed okupantem m.in. profesor lwowskiego uniwersytetu Leon Halban. Po przejęciu władzy przez ZSRR w 1944 kaplica i klasztor zostały zamknięte, dokładnie w 100 lat od rozpoczęcia ich budowy.
W 1946 siostry sercanki wraz z innymi Polakami zostały przymusowo wysiedlone ze Lwowa, a cały zespół klasztorny przeszedł w posiadanie nowych władz Politechniki Lwowskiej. Jeszcze w grudniu tego samego roku na bazie wydziału rolniczego i leśnego Politechniki zorganizowano w budynkach poklasztornych Instytut Rolniczy. W latach 60. XX wieku Instytut przeniesiono do Dublan a pomieszczenia wróciły do Politechniki Lwowskiej.