XV a. pab. Lietuvos didžiojo kunigaikščio ir Lenkijos karaliaus Kazimiero Jogailaičio pastatyta ir Švč. M. Marijai, šv. Andriejui ir šv. Stanislovui dedikuota Karališkoji, arba Valavičių, koplyčia. Šios koplyčios kriptoje buvo laidojami karališkosios šeimos nariai, tarp jų ir šventumu garsėjęs karalaitis Kazimieras. Bažnyčiai leidus Kazimierą gerbti kaip šventąjį, Lenkijos ir Lietuvos valdovas Zigmantas Vaza ėmėsi statyti naują Šv. Kazimiero koplyčią, kuriai vieta atsirado iškeitus Vilniaus vyskupo Eustachijaus Valavičiaus (1572–1630) globotą koplyčią pietrytiniame kampe į Karališkąją koplyčią, tapusią Valavičių koplyčia. Iki 1630 m. Vilniaus vyskupo Eustachijaus Valavičiaus rūpesčiu koplyčia buvo perstatyta ir išpuošta.

Balto stiuko altoriaus centrinėje dalyje kabo ovalios formos paveikslas „Nekaltai Pradėtoji Švč. Mergelė Marija“, nežinomo autoriaus nutapytas XVII a. Šalia paveikslo – dvi alegorinės figūros iš stiuko. Koplyčios kupolo burių freskose – keturi evangelistai. Kupolo freskose – reikšmingiausi Švč. Mergelės Marijos gyvenimo įvykiai: Apreiškimas, Apsilankymas, Dangun Ėmimas ir Dievo Motinos karūnavimas.

Koplyčios išorinėje sienoje XVI a. įmūryta marmuro lenta su įspėjančiu lotynišku užrašu Violator operis infelix esto („Tebūnie nelaimingas kūrinio žalotojas“).

Ant koplyčios vakarinės sienos kabo Pranciškaus Smuglevičiaus paveikslas „Šv. Jonas Nepomukas prieš karalių Vaclovą“. Čekijos karalius Vaclovas IV norėjo pasisavinti Bažnyčios turtus, be to, tardė Prahos kanauninką Joną Nepomuką, kaip savo žmonos nuodėmklausį, įtardamas ją neištikimybe. Šv. Jonas Nepomukas neišdavė išpažinties paslapties, todėl, anot legendos, naktį buvo nustumtas nuo Karolio tilto į Vltavos upę.

Antkapinis paminklas prie rytinės sienos primena, kad čia palaidotas koplyčios fundatorius Vilniaus vyskupas Eustachijus Valavičius (1572—1630).

2024 metais koplyčia atšventinta, jos altoriuje rastos ir gerbiamos šv. Bonifaco relikvijos.