Jednocześnie z wykańczaniem klasztoru, rozpoczęto budowę kościoła. Zainicjowano ją w czasach króla Jana Kazimierza, jednak prace budowlane rozpoczęto po wstąpieniu na tron Michała Korybuta Wiśniowieckiego w roku 1669. Nie znamy nazwiska architekta - prawdopodobnie kościół budowano według doświadczeń zakonnych, korzystając - być może - z uwag Józefa Szymona Bellottiego, królewskiego budowniczego. Król podczas swojego krótkiego panowania pamiętał o klasztorze, tu także kazał pochować dwa serca - swoje i swojej matki, Gryzeldy Wiśniowieckiej. Nie ma pewności, że jego następca - Jan III Sobieski - otaczał klasztor i powstający kościół szczególną opieką, jednak jest wymieniany pośród czterech królewskich dobrodziejów i fundatorów. 

Wobec kończącej się budowy klasztoru, większą uwagę zwrócono na kościół. W pierwszej fazie budowy powstało prezbiterium z ołtarzem i chórem zakonnym oraz wieżami. W założeniu kościół miał być prosty w formie i wykończeniu (jak nakazywała reguła zakonu), ale na przeszkodzie stały artystyczne ambicje fundatorów. Kolejny etap budowy (korpus główny) przypadł na początek XVIII w. i ostatecznie został zakończony około 1758 r. poświęceniem kościoła. Tu również nie znamy osoby głównego architekta. Można przypuszczać, że był związany z dworem saskim. 

W 1796 r. władze pruskie pozbawiły zakonników większości terenów, jednak klasztor wraz z kościołem ocalały. Dopiero w okresie powstania styczniowego, w ramach represji,  władze carskie zlikwidowały nowicjat, skazując zakon na powolną agonię - ostatni zakonnik opuścił Bielany w 1904 r. W budynkach klasztornych zorganizowano dom dla rosyjskich inwalidów wojennych, w kościele zamierzano urządzić cerkiew. Zapobiegło temu utworzenie 1 kwietnia 1905 r. parafii. Przeprowadzono gruntowny remont świątyni i 13 grudnia 1913 r. uroczyście poświęcono kościół pw. Niepokalanego Poczęcia NMP, św. Józefa i św. Kazimierza. Ze zmianą funkcji kościoła - z klasztornego na parafialny - wiązała się przebudowa świątyni (Józef Pius Dziekoński). W dwa lata później kościół wraz z otaczającymi go budynkami władze przekazały odradzającemu się na ziemiach polskich zakonowi marianów z przeznaczeniem na dom zakonny z nowicjatem oraz Dom Dziecka. 

W dwudziestoleciu międzywojennym zespół pokamedulski wzbogacił się o nowy obszerny budynek mieszczący męskie gimnazjum  oraz seminarium duchowne. Po powstaniu warszawskim kościół został podpalony. Po wojnie, w 1954 r. zespół odebrano marianom i przekazano Akademii Teologii Katolickiej. W 1999 r. erygowano nową parafię pw. bł. Edwarda Detkensa, a w 2003 r. pokamedulska świątynia otrzymała godność kolegiaty.