P. J. H. Cuypers, bouwmeester van onder andere het Amsterdamse Centraal Station, het Rijksmuseum en de Posthoornkerk, legt als projectontwikkelaar de Vondelstraat aan. Volgens zijn ideeën omtrent de ideale samenleving bouwt hij midden tussen de huizen van zijn straat een kerk. De eerste steen van de neogotische kruisbasiliek wordt gelegd op 1 maart 1872. Cuypers bouwt graag naar middeleeuws model.

In 1873 is het geld voor de bouw op en houdt de gemeente een loterij, waarvoor vooraanstaanden van alle gezindten prijzen beschikbaar stellen. Onder hen zijn koningin Sophie, de paus en Cuypers’ grote voorbeeld, de Franse architect Viollet-le-Duc. Op 16 juni 1880 wordt de kerk ingewijd. Cuypers omschrijft de kerk zo: „In mijn hart is deze steeds de liefste plaats blijven innemen.”

De toren en een groot deel van de kerk gaan bij een grote brand in 1904 verloren. De brandweer weet de brandende spits het Vondelpark in te trekken, zodat deze niet op de omliggende huizen valt. Cuypers’ zoon Joseph maakt het ontwerp voor de herbouw.

De Vondelkerk wordt als een van de eerste 19e-eeuwse gebouwen een rijksmonument. De bouwkundige staat is vrijwel vanaf het begin slecht. Reeds in 1892 constateren experts scheuren in de gewelven. In 1978 is bouwvalligheid de oorzaak van sluiting.

Als sloop voor het sterk verwaarloosde gebouw dreigt, wordt een plan voor herbestemming ontwikkeld. Na een restauratie is de kerk in gebruik als kantoor en trouwlocatie.