Wilanów już w XIII wieku był siedzibą parafii zarządzanej przez benedyktynów. Już w wieku XIV powstał pierwszy drewniany kościół pw. św. Leonarda, a następnie w wieku XVI – kościół drewniany, późnogotycki, z wolno stojącą dzwonnicą. Wokół kościoła, zgodnie ze zwyczajem średniowiecznym, założono cmentarz grzebalny – zlikwidowany później ze względu na przepełnienie. To właśnie w tym kościele modlił się król Jan III Sobieski z rodziną oraz współpracownikami.
Murowany kościół zastępuje drewnianą świątynię
Po blisko dwóch wiekach, w roku 1772, drewniany kościół parafialny został zastąpiony murowaną świątynią pw. św. Anny. Fundatorem był książę August Adam Czartoryski, zaś projektantem architekt Jan Kotelnicki. Obok kościoła wybudowano również plebanię. Wyposażenie pochodziło m. in. z fundacji wnuczki księcia Adama – Aleksandry z Lubomirskich Potockiej. W latach 1799–1831 wyposażyła ona wilanowską świątynię w artystyczne przedmioty kultu religijnego. Przeniesiono je tutaj z kaplicy Kmitów na zamku książąt Lubomirskich w Wiśniczu. Jednym z najcenniejszych i zarazem najważniejszym jest obraz „Zwiastowanie Najświętszej Maryi Panny” (pędzla włoskiego malarza z XVII w.). Obraz ten umieszczono w nastawie ołtarza głównego.
W latach 1857–1870 kościół został przebudowany i powiększony przez hrabiostwo Aleksandrę i Augusta Potockich. Prace budowlane nadzorował autor projektu architekt Henryk Marconi, który nadał kościołowi formę neorenesansową. Do nawy głównej dobudowano wówczas prezbiterium oraz dwie kaplice: Najświętszej Maryi Panny i Świętej Anny. W przebudowie kościoła brało udział wielu znanych wówczas artystów (malarzy, rzeźbiarzy, architektów). Od 1816 cmentarz grzebalny przeniesiono w jego współczesne miejsce.
Wojny nie oszczędziły kościoła
Podczas I wojny światowej kościół i otoczenie zostały zdewastowane. W roku 1916 wojska pruskie zdjęły pokrycie świątyni – zdarta została pięknie tłoczona blacha miedziana. Kopuła kościoła stanowiła dla wojsk rosyjskich i pruskich doskonałe obserwatorium całej doliny Wisły.
Również druga wojna światowa przyniosła zniszczenia – we wrześniu 1939 roku w kościół uderzyło kilka pocisków armatnich. Kościół znów splądrowano, a otoczenie zdewastowano. Proboszcz wilanowski – ksiądz dr Jan Krawczyk – został uwięziony przez Niemców, a następnie rozstrzelany w Palmirach w kwietniu 1940 roku. Podczas Powstania Warszawskiego (1944) kościół został przez Niemców zamieniony na obóz dla internowanych. Niemcy zrabowali również wyposażenie świątyni łącznie z tabernakulum. Szczęśliwie przetrwały dwa dzwony z 1723 i z 1777 roku, które ludność Wilanowa ukryła w kopułkach kościoła przed rabunkiem.
Po wojnie kościół został zabezpieczony, zaś od roku 1980 trwa jego stopniowa renowacja. W dniu 16 października 1998 prymas Polski kardynał Józef Glemp podniósł kościół św. Anny w Wilanowie do rangi kolegiaty Kapituły Kolegiackiej Wilanowskiej. Ciekawostką jest fakt, iż przed świątynią rośnie lipa drobnolistna będąca pomnikiem przyrody.