Fu innalzata dai Teatini a partire dal 1617, sul corso Canalgrande, uno degli assi viari più importanti della città, su progetto iniziale del padre teatino Bernardo Castagnini, con navata unica e tre cappelle laterali per ciascun lato, sul modello delle chiese destinate alla predicazione, in particolare di  Sant'Andrea della Valle in Roma, chiesa madre dei Teatini.

Seguirono interventi architettonici di Bartolomeo Luigi Avanzini e di Gaspare Vigarani, entrambi al servizio di Francesco I d'Este, e forse anche di Guarino Guarini, il celebre teatino modenese  poi architetto dei Savoia, che progettò la Casa dell'Ordine Teatino adiacente alla chiesa, ora sede del Tribunale.

Il coinvolgimento di Francesco I alla realizzazione del tempio è infatti evidente nell'impegno di artisti operosi nei cantieri ducali: oltre ad Avanzini e Vigarani, sulla metà del '600 vi lavorarono Sebastiano Sansoni, Olivier Dauphin e Sigismondo Caula che attesero alla decorazione ad affresco delle volte, e il plastico-stuccatore Luca Colombi, attivo anche nell'Appartamento Stuccato del Palazzo Ducale di Sassuolo, che creò il sontuoso apparato di stucchi con angeli.

San Vincenzo si configura come chiesa "estense" anche per le importanti commissioni di Francesco I, dovute alla circostanza che vi fu sepolta sua madre Isabella di Savoia: la splendida pala della Madonna in trono con San Giovanni Evangelista e San Gregorio dipinta dal Guercino nel 1630, ora nella prima cappella di sinistra; il monumentale tabernacolo a tempietto sull'altar maggiore, fulcro visivo e ideale della chiesa, costruito in marmi preziosi, su progetto di Avanzini, da Tommaso Loraghi lapicida e capo mastro ducale; le due statue ai lati dell'altare, opere di Giovanni Lazzoni raffiguranti San Contardo d'Este e il B. Amedeo di Savoia, i santi delle due casate a cui apparteneva la principessa Isabella, sepolta nel vicino coro. 

Nella parete di fondo, sulla destra, dopo un vestibolo col Monumento a Ferdinando d'Austria-Este, fratello del duca Francesco IV, realizzato nel 1855 dallo scultore modenese Giovanni Cappelli, si apre la Cappella funeraria estense progettata nel 1836 dall'architetto ducale Francesco Vandelli, autore fra l'altro del vicino Teatro Comunale, nelle linee di un severo classicismo; qui furono radunate le spoglie di quasi tutti i componenti della casa d'Este, tumulate nelle diverse chiese della città.