Początki kościoła są związane z pijarami, którzy pojawili się w Wieluniu pod koniec XVII w. Za inicjatora i fundatora pijarskiej placówki uważano Wojciecha Kazimierza Urbańskiego, ówczesnego kasztelana wieluńskiego i jego żonę Katarzynę z Niezabitowskich. Pierwsi zakonnicy przybyli prawdopodobnie 1 sierpnia 1690 r. Już 1 października tegoż roku wspomniano o. Hipolita od św. Józefa, kaznodzieję pijarów z Wielunia wśród uczestników uroczystości zaprowadzenia bractwa św. Izydora w Cieszęcinie.
Do budowy obecnego kościoła doszło przed 1730 r. Jego fundatorem był sędzia ziemski wieluński, Hieronim Wierusz Niemojewski. Pełnił on swoją funkcję w latach 1721-26. Prawdopodobnie zapisał pewne fundusze na budowę nowej świątyni jeszcze przed swoją śmiercią w 1726 r. Możliwe, że prace budowlane rozpoczęto jeszcze za życia dobrodzieja. Bp Franciszek Józef Kraszkowski, sufragan gnieźnieński konsekrował kościół 9 października 1729 r. nadając mu wezwanie św. Józefa i udzielając tego dnia święceń diakonatu pijarowi Ignacemu od św. Józefa (Janowi Jakubowskiemu), późniejszemu rektorowi kolegium w latach 1745-51. Konsekrator wyznaczył jednocześnie rocznicę poświęcenia kościoła na drugą niedzielę października. Prawdopodobnie używano także drugiego wezwania świątyni: Zaślubin Najświętszej Maryi Panny.
Konsekracja kościoła nie oznaczała jednak ostatecznego zakończenia budowy, gdyż prace trwały nadal. Do ich zakończenia przyczyniła się Krystyna z Długopolskich Karśnicka. W 1743 r. zapisała ona sumę 1000 złotych węgierskich na budowę dwóch wież. Ukończono je zapewne przed 1748 r. W następnym roku, 1749, zwieńczono je kopułami.
Kościół, zachowany do dziś, jest kościołem wybudowanym na osi północ-południe, z prezbiterium od strony południowej. Jest budowlą trójnawową w kształcie bazyliki. Prezbiterium na planie prostokąta jest niższe i zamknięte wewnątrz półkoliście. Nawy boczne są podzielone na trzy kaplice i połączone ze sobą wąskimi przejściami. Wszystkie kaplice otwierają się na nawę główną arkadami filarowymi. Mają sklepienia kolebkowe z lunetami, tzn. z odcinkami sklepienia poprzecznymi w stosunku do sklepienia budynku na gurtach, czyli płaskich konstrukcyjnych łukach, które wzmacniają i podtrzymują sklepienie między przęsłami. Po obydwu stronach prezbiterium znajdują się dwa pomieszczenia. Jedno, od strony zachodniej, zapewne było i jest zakrystią. Drugie, od strony wschodniej było prawdopodobnie jakimś składem. Nad zakrystią mieścił się chór zakonny, najprawdopodobniej z jakimś oknem na prezbiterium. Fasada kościoła jest dwuwieżowa, podzielona na trzy części za pomocą pilastrów. W części środkowej wieńczy ją trójkątny szczyt.
Budowniczym kościoła był ks. Stanisław od św. Barbary (Kazimierz Strzelecki). Pełnił on funkcję rektora kolegium wieluńskiego pijarów w latach 1723-32 i 1738-41.
W nowej świątyni było siedem ołtarzy, jeden w prezbiterium i pozostałe w kaplicach. W 1749 r. wyliczono: wielki ołtarz pw. Zaślubin Najświętszej Maryi Panny, który nie był złocony; złocony ołtarz pw. Serca Jezusowego; ołtarz Maryi Niepokalanie Poczętej ze starymi złoceniami; ołtarz Przemienienia Pańskiego i św. Wawrzyńca bez złoceń; złocony ołtarz pw. św. Jana Nepomucena; złocony ołtarz pw. św. Antoniego; złocony ołtarz pw. św. Franciszka Ksawerego.
Z upływem lat upiększano wnętrze kościoła, kładąc złocenia i malowidła oraz zawieszając nowe obrazy. Na ścianie frontowej kościoła umieszczono 8 września 1748 r. złoconą statuę św. Józefa, zapewne Oblubieńca.
W 1750 r. zainstalowano nowe tabernakulum w głównym ołtarzu. W dziesięć lat później umieszczono w nim obrazy św. Tekli i św. Józefa. Na chórze umieszczono siedmiogłosowe organy. W podziemiach świątyni znajdował się grobowiec rodziny Niemojewskich. Jego budowę zakończył w 1784 r. Felicjan Niemojewski, podczaszy wieluński.
Nieszczęścia spadające na Wieluń nie ominęły kościoła pijarów. W 1795 r. pożar dokonał dużych spustoszeń i dopiero w 1801 r. zakończono odbudowę świątyni. Wtedy także Robert Stankiewicz ozdobił kościół freskami. W nawach bocznych namalowano m.in. iluzjonistycznie ołtarze z obrazami: Przemienienia Pańskiego, Rozmnożenia chlebów, św. Jana Nepomucenia, św. męczenniczki?, Objawienia św. Jana Kalastantego i św. Barbary.
W XIX wieku kościół został kilkakrotnie dotknięty pożarami, m.in. 18 czerwca 1858 r. i 19 marca 1868 r. Po kasacie klasztoru pijarów w nocy z 27 na 28 listopada 1864 r. i pożarze kościoła w 1868 r. Rosjanie zamierzali przebudować go na cerkiew prawosławną. Tylko dzięki zdecydowanej postawie mieszkańców Wielunia, którzy powołali Obywatelski Komitet Odbudowy Kościoła, udało się zapobiec tym planom. Odbudowaną świątynię konsekrował w 1880 r. biskup włocławski Wincenty Teofil Popiel. Od tego czasu pełniła ona funkcję kościoła szkolnego.
W 1933 r. odnowiono tynki fasady kościoła i wymalowano jego wnętrze. Kolejne remonty przeprowadzono w 1950 r. i w latach 1957-58. Naprawiono dachy i okna oraz przystosowano świątynię do potrzeb duszpasterstwa parafialnego. W 1960 r. zakupiono dzwony i odnowiono tynki zewnętrzne.
W latach 1973-2002, za czasów ks. Michała Sudoła, przeprowadzono wiele prac remontowo-renowacyjnych świątyni. W 1974 r. rozpoczęto główne prace wewnątrz kościoła. Usunięto wtedy zniszczoną drewnianą podłogę i położono marmurową posadzkę. Wyremontowano zabytkowy ołtarz główny i umieszczono w kościele ołtarz soborowy, dwa konfesjonały i ławki. Odnowiono tynki i zabytkową malaturę. Wstawiono nowe drzwi i okna. Założono instalację elektryczną, głośnikową i odgromieniową oraz napęd elektryczny dzwonów.
Uporządkowano także podziemia kościoła. Urządzono w nich kaplicę Najświętszego Serca Pana Jezusa, którą poświęcił w 1976 r. bp Franciszek Musiel w 25. rocznicę poświęcenia się Narodu Polskiego Sercu Jezusowemu. Parafia uzyskała wtedy także prawo odpustu w tę uroczystość, obok głównego odpustu parafialnego ku czci św. Józefa 19 marca. W kaplicy sprawowano nabożeństwa w czasie remontów głównego kościoła w następnych latach a potem była miejscem okolicznościowych nabożeństw i spotkań formacyjnych dla narzeczonych.
Uporządkowano również otoczenie kościoła usuwając różne budynki przylegające do ścian kościoła. Z tyłu świątyni zlikwidowano magazyny „Ruchu”. Od strony wschodniej wyburzono dom mieszkalny, w którym przebywały cztery rodziny. Od strony obecnego parkingu usunięto różne szopy. Dzięki tym pracom odsłonięto całą świątynię i uzyskano wolne obejście procesyjne wokół niej. W latach 80. i 90. XX wieku przeprowadzono kolejne prace remontowe. Odnowiono i pomalowano tynki, zainstalowano nowe 13-głosowe organy i witraż św. Józefa nad nimi. Założono elektryczną instalację grzewczą w kościele i w kaplicy Najświętszego Serca Jezusowego. Zawieszono nowe stacje drogi krzyżowej. Wyremontowano dach i wieże pokrywając je blachą miedzianą. W 1995 r. odmalowano ponownie kościół z zewnątrz. Wkrótce potem dzięki życzliwości władz miasta urządzono wokół świątyni nowoczesne otoczenie. Utworzono wtedy malowniczą ul. Pijarską.
Biskup częstochowski Zdzisław Goliński erygował 7 maja 1957 r. parafię przy kościele pw. św. Józefa. Wyłączył ją w całości z parafii pw. Nawiedzenia Najświętszej Maryi Panny w Wieluniu. Dwa lata później, 29 maja 1959 r., dołączono do niej miejscowości: Urbanice z parafii w Rudzie, Bieniądzice z kolonią Chrusty (dziś ul. Jagiełły) i domy przy cukrowni z parafii Czarnożyły.
Plebanią stał się zabytkowy budynek z 1844 r. pełniący już tę funkcję przed II wojną światową. Ks. Michał Sudoł przeprowadził szereg prac remontowych. Wymieniono dach i dano nowe poszycie, nowe sufity, drzwi i okna. Wybudowano łazienki. Dokonano także wymiany ogrodzenia posesji plebańskiej. Pojawiło się nowe, kamienno-żelazne ogrodzenie. Wyremontowono także dawną organistówkę (budynki obok plebanii). Wymieniono dach, dano nowe poszycie i zaadoptowano je na salki katechetyczne.
Z myślą o działalności katechetycznej w Niedzielsku wykupiono w tej miejscowości działkę pod budowę salki katechetycznej. Zaniechano jednak budowy z chwilą powrotu nauczania religii do szkół.
W trosce o dawne miejsce kultu, jakim był teren po zniszczonej przez hitlerowców farze wieluńskiej, podjęto starania o przejęcie go od władz miejskich. Po II wojnie światowej był on m.in. częścią parku. Parafia św. Józefa uzyskała prawo własności gruntu i razem z parafią kolegiacką dokonano odsłonięcia fundamentów dawnej kolegiaty wieluńskiej. W tym czasie zostały przeprowadzone liczne prace wykopaliskowe. Ustawiono także krzyż jako pomnik, przed którym odbywają się różne uroczystości religijno-patriotyczne.
Kolejny proboszcz, ks. Marian Mermer kontynuował prace modernizacyjne. Dobudowano nową klatkę schodową i przebudowano wnętrze.
28 lutego 1987 r. na terenie parafii bp Stanisław Nowak utworzył wikariat terenowy pw. św. Jana Chrzciciela. W następnym roku, 28 marca 1988 r., przekształcił go w pełnoprawną parafię wydzieloną z obszaru parafii św. Józefa. W jej skład weszły m.in. osiedla: Stare Sady i Waryńskiego (dziś Wyszyńskiego). Okrojoną parafię św. Józefa powiększono wkrótce potem o osiedle Kopernika i bloki przy ul. Paderewskiego, Piłsudskiego i Curie-Skłodowskiej, wydzielone z parafii pw. Nawiedzenia Najświętszej Maryi Panny.
W minionym okresie parafią św. Józefa zarządzali księża: Stanisław Zgoda (1957-59), Feliks Litewka (1959-73), Michał Sudoł (1973-2002). Od 2002 r. proboszczem jest ks. Marian Mermer.
Z historią kościoła splotły się losy bł. ks. Maksymiliana Binkiewicza. W latach 1934-39 był on prefektem szkolnym w Wieluniu i rektorem tej świątyni. Papież Jan Paweł II dokonał jego beatyfikacji wraz z innymi męczennikami 13 czerwca 1999 r. w Warszawie. Ku jego czci i upamiętnieniu jego pracy w tym kościele ufundowano tablicę pamiątkową.
Parafia pw. św. Józefa była świadkiem jeszcze innych podniosłych uroczystości. W 2004 r. świętowano złoty jubileusz kapłaństwa ks. kan. Michała Sudoła. Trzy lata później obchodzono 50-lecie istnienia parafii. Główne obchody rocznicowe poprzedziły misje parafialne przeprowadzone w dniach 7-12 października 2007 r. Mszę św. jubileuszową celebrował abp Stanisław Nowak metropolita częstochowski 12 października 2007 r.