В 1789 году проживающие в Москве французы подали прошение о разрешении им строительства католического храма. После получения разрешения от московских властей и его одобрения императрицей Екатериной II был построен небольшой деревянный храм на участке между Малой Лубянкой и Милютинским переулком. Освящение церкви во имя французского короля Людовика IX Святого состоялось 30 марта 1791 года.
В XIX веке было осуществлено строительство современного здания храма на месте прежнего. Строительство было начато в 1833 году, а закончено двумя годами позже. Храм был сооружён по проекту известного архитектора А. О. Жилярди. Освящение состоялось, однако, лишь 17 июня 1849 года, о чём напоминает мраморная доска в алтарной части церкви.
При храме Св. Людовика существовали две гимназии — мужская гимназия св. Филиппа Нери и женская гимназия св. Екатерины; а также благотворительный приют св. Доротеи.
К 1917 году число прихожан насчитывало 2700 человек.
После революции 1917 года для храма наступили тяжёлые времена, храм многократно разорялся, настоятель был выслан из страны. До 1926 года французский приход опекался отцом Зелинским, настоятелем храма Св. апостолов Петра и Павла в Милютинском переулке. В 1926 году епископ Мишель д’Эрбиньи в тайне от советских властей рукоположил в епископы в храме Святого Людовика ассумпциониста П. Э. Невё и ещё двух священников — А. И. Фризона и Б. Слосканса. Однако его тайна была раскрыта и Д’Эрбиньи был выслан из СССР. Предпринимались попытки выслать и епископа Невё, однако его оставили в стране после протестов французского посольства.
Всё время существования СССР храм Св. Людовика оставался единственным открытым католическим храмом Москвы и одним из двух (наряду с храмом Лурдской Божией Матери в Ленинграде) католических храмов в РСФСР.
С начала 90-х годов в жизни храма начался новый период. 13 апреля 1991 г. папа Иоанн Павел II объявил о создании Апостольской администратуры для католиков латинского обряда европейской части России. Торжественное вступление в должность апостольского администратора архиепископа Тадеуша Кондрусевича состоялось в храме Святого Людовика 28 мая 1991 г.
В настоящее время, в связи с тем, что третий католический храм Москвы — храм Св. апостолов Петра и Павла в Милютинском переулке так и не был возвращён Церкви, в храме Святого Людовика проводят службы как приход Святого Людовика (преимущественно франко- и англоязычный), так и приход Св. Петра и Павла (преимущественно русскоязычный).
Список настоятелей храма
* 1789—1793 отец Жан-Баптист Песм дё Матиньикур
* 1793—1802 отец Гоие
* 1802—1805 отец Кьен
* 1805—1807 отец Марион
* 1807—1812 отец Адриан Сюррюг
* 1812—1828 отец Антуан дё Малерб
* 1828—1832 отец Мишель Герье
* 1832—1835 отец Николя Энжерран
* 1835—1837 отец Шибо
* 1837—1839 отец Вюаньо
* 1839—1846 отец Отран
* 1846—1865 отец Кудэ
* 1865—1883 отец Амабль Беесо
* 1883—1884 отец дё Коснак
* 1884—1900 отец Леон Вивьен
* 1901—1911 отец Альбер Либерсье
* 1911—1913 отец Эжен Бертёло
* 1913—1921 отец Жан-Мари Видаль
* 1921—1926 отец Зелински
* 1926—1936 владыка П. Э. Невё
* 1936—1945 отец Леопольд Браун
* 1945—1949 отец Жан дё Мата Тома (викарий о. Антуан Лаберж)
* 1949—1967 отцы Бутурович, Витольд Бронитски, Михаил Тардивас
* 1967—1990 отец Станислав Мажейка. (Его помощником был диакон Пётр Присяжный, скончавшийся в 1992 году).
* 1990—1991 отец Францискас Рачунас
* 1991 отец Антоний Гей
* 1991—2008 отец Бернар Лё Леаннек
* c 2009 отец Адриан Массон
Храм Святого Людовика Французского построен в стиле классицизм, представляет собой трёхнефную базилику с высоким центральным и более низкими боковыми нефами. Вход оформлен колоннадой, по обеим сторонам колоннады расположены невысокие колокольни.
В 90-е годы была проведена масштабная реконструкция внутреннего пространства храма.
Над главным алтарём находится живописное изображение Преображения Господня. На алтаре левого нефа в центре расположена статуя св. Людовика слева от него — статуя св. Бернара Клервосского, справа св. Франциска Сальского. Немного правее, на отдельном постаменте статуя св. Антония Падуанского. Также в алтаре левого нефа установлены небольшие статуи святых покровительниц Франции: св. Жанны д’Арк и св. Терезы из Лизьё. Правый алтарь посвящён Богородице, эдесь установлена статуя Девы Марии Лурдской. После советского периода сохранился лишь один старинный витраж с изображением св. Иосифа, находящийся в правой части храма.