Esta capilla ocupa el lugar que perteneció a la primera iglesia que construyeron de manera provisional los franciscanos regulares a su llegada a Guanajuato, cerca de 1820. Los religiosos ocuparon unas casas contiguas al primitivo templo de San Juan Bautista (hoy de San Francisco) y, junto a ellas, erigieron su primitiva capilla. Cuando les fue concedido tomar posesión del templo de San Juan, entregaron al clero secular su primera iglesia a cambio de la que les habían otorgado.
Con el paso de los años, la primitiva capilla fue cayendo en desuso y, durante algunos años, funcionó como escuela, hasta que en el año de 1836 fue saneada y reparada por el bachiller José María Fuentes Lazo de la Vega, con recursos de su propio caudal, quien la reabrió al culto, dedicándola a la Virgen María bajo su advocación de Loreto.
No obstante lo anterior, en el año de 1845, el propio bachiller Fuentes Lazo de la Vega derribó la antigua capilla para reedificar en ese sitio un templo más grande, dedicado a la misma advocación, que es el que hasta la fecha se conserva en la plaza de Manuel Doblado (antes de San Francisco). La primera piedra de este edificio se colocó en 1846 y, ocho años después, el 8 de septiembre de 1854, fue estrenado el nuevo templo de la Santa Casa de Loreto.
Se sabe que el constructor del nuevo edificio fue un maestro de obras llamado Cleto Salinas, quien, siguiendo los lineamientos estilísticos de la segunda mitad del siglo XIX, levantó el sitio dentro del estilo neoclásico, pero con fuertes influencias romantizantes, como el caso de algunos elementos neogóticos que se observan en las torres campanario, mismas que quedaron inconclusas a la altura del primero de los dos cuerpos proyectados.
La planta del edificio es una amplia rotonda, única en la arquitectura religiosa de Guanajuato, muy posiblemente inspirada en su homóloga jesuita de la Ciudad de México. Antecede a la planta circular un nártex rectangular, que sirve de base para los cubos de las torres que flanquean la sencilla portada de cantera. La nave del templo está constituida por el área circular, mientras que el presbiterio es otro cuadrado fusionado a la circunferencia principal en el extremo final del eje mayor.
Una gran cúpula cubre el espacio de la nave, al tiempo que se eleva desproporcionadamente sobre el corto tambor que le sirve de desplante. Finalmente, una linternilla de corte neogótico remata la composición arquitectónica.
El templo sufrió un grave incendio en los años ochenta de este siglo y permaneció cerrado por largo tiempo, hasta que, por la iniciativa de un grupo de ciudadanos guanajuatenses, fue restaurado en el año de 1988.
