La relación de la congregación de los Agustinos con Melipilla data desde la fundación de la ciudad. Posterior al decreto del establecimiento oficial de la villa en el valle de Melipilla el 11 de octubre de 1742 con el nombre de Logroño de San José, en honor a la ciudad española de Logroño de donde era oriundo el gobernador del momento José Antonio Manso de Velasco, el padre Francisco de Aranívar, Prior provincial de los Agustinos, le solicita que le ceda terrenos de la recién cuadriculada zona para poder trasladar al lugar el convento que se encontraba hasta ese instante en el área de Santa Rita de Perquilauquén. El gobernador le cedió tierras a dos cuadras de distancia de la Plaza Mayor y ahí se asentó en convento, el primero de la villa, y se erigió la iglesia el mismo año de la fundación de la ciudad.

En 1893 se construyó la iglesia y el claustro adyacente que permaneces hasta el día de hoy, completamente en adobe. Su gran torre se lograba percibir desde bastante lejos ya que era común que la altura de las edificaciones del sector, que permanecen de la colonia, constaran de un solo piso. Sin embargo, a pocos años de su construcción, un terremoto en el año 1906 comenzó a dañar su estructura. Sin embargo, siguió prestando sus funciones a los feligreses.

El terremoto de 1985 acrecentó los daños en la construcción y, para darle algún tipo de protección especial fue declarado, tanto el templo como el claustro, Monumento Nacional en el año 1988 por la importancia histórica para la zona y por su conformación arquitectónica, ya que es una de las últimas iglesias construida en adobe y que permanece en pie en la Región Metropolitana.

Sin embargo, es por el terremoto del 27 de febrero de 2010 que sufrió graves daños, arquitectónicos y estructurales, como desplazamiento de pilares, grietas en la mayoría de sus muros de adobe y la cubierta caída. Por este motivo, la iglesia debió cerrar sus puertas a los fieles, protegiendo a éstos y a la comunidad cercana.

El ministerio de obras públicas, a mediados del año 2012, generó un proyecto para restaurar la iglesia, consistente en una licitación de empresas del rubro para evaluar técnicamente los daños y crear un plan de reconstrucción y restauración del edificio. En una primera instancia se concluyó que, si bien los daños son graves, no constituían peligro inminente de colapso pero con el potencial riesgo de daños mayores si ocurriera otro evento similar.