Руйнівні татарські набіги XV–XVІ століть були тяжким випробуванням для мешканців Олеська, котрі щоденно відновлювали власні будинки з попелу. Саме тоді виникла ідея побудувати святиню, яка б зміцнювала громадський дух. Так, 1545 року на місці колишнього дерев’яного храму побудували Троїцький костел, який належав парафії РКЦ в Олеську. З відновленням благоденства на галицьких землях (приблизно за 40 років) виникла потреба у розширенні храму. Аж до 1587 року тривала масштабна реконструкція, а пізніше у костела з’явилися дві бічні каплиці. 1803 року місто Олесько зазнало біди: Троїцький костел цілком згорів. Така сама доля спіткала відновлену святиню в 1840-ві роки, а відновлення тривало довгі шість років. 1927 рік позначився світлими сторінками в історії католицького храму. Тоді почалися масштабні відновлювальні роботи під керівництвом Броніслава Віктора, по завершенні яких костел набув статус пам’ятки архітектури.