El templo de Loreto se localiza dentro de la traza primitiva de la ciudad realizada por Alonso García Bravo, en el barrio de San Sebastián, que formaba parte del antiguo calpulli azteca de Atzacoalco. Su historia está ligada a los jesuitas, quienes llegaron a la Nueva España en 1572 y se establecieron en los solares que les donó Alonso Villaseca; de ahí improvisaron una capilla y fundaron el colegio de San Pedro y San Pablo. La capilla fue sustituida por otra que se bendijo en 1573 bajo la advocación de San Gregorio y fue construida por los indígenas de Tacuba dirigidos por su cacique don Antonio de Cortés. No obstante que no existen documentos que determinen fielmente su ubicación, se puede deducir que se encontraba en donde está el actual templo de Loreto.

En 1675 vino a México el jesuita Juan Bautista Zappa, quien trajo de Italia una escultura de la virgen de Loreto con la idea de labrarle una capilla semejante a la Santa Casa de Loreto, pero como no pudo cumplir su propósito porque fue a regir el convento de Tepotzotlán, le encomendó la tarea al sacerdote Juan María de Salvatierra, quien mandó levantar una capilla en la iglesia de San Gregorio con un costo de mil pesos, dedicada en 1680. El culto a la Virgen se extendía día a día, por lo que Juan de Chavarría y Valero contribuyó a la construcción de una nueva iglesia, de 1682 a 1691, y se le dedicó en 1686 una capilla dedicada a la Virgen de Loreto y otra más el 10 de diciembre de 1738, gracias a Juan Antonio Baltasar.

Con la expulsión de los jesuitas, decretada por Carlos III en 1767, sus bienes pasaron a la junta de temporalidades y se cerró el templo, entonces se llevó la imagen de la Virgen al convento de la Encarnación. Nueve años después se reabrió, al comprobarse que los bienes del Templo y del Colegio de San Gregorio no pertenecían a los jesuitas.

Como el inmueble se encontraba muy deteriorado, el conde Bassoco, devoto de la Virgen de Loreto, ordenó la construcción que aún se conserva, con base en el proyecto de los arquitectos Ignacio Castera y Agustín Paz. La obra se llevó a cabo de 1809 a 1816. Apenas dieciséis años de haberse concluido, el templo se hundió en su lado oriente, por lo que fue clausurado y la imagen de la Virgen se traslado al templo de San Pedro y San Pablo hasta 1850, año en que se dictaminó que no ofrecía peligro por lo que nuevamente fue abierta al culto.

Los jesuitas regresaron al país, por lo que les fue devuelto el inmueble, sin embargo, en 1856 Comonfort los volvió a expulsar, quedando entonces en manos de dos capellanes. Posteriormente los padres del Sagrado Corazón se hicieron cargo de él hasta 1988, en que fue entregado a la Arquidiócesis de México.

"Debido a sus notables características históricas y artísticas, el templo de Loreto fue declarado monumento nacional el 9 de febrero de 1931. Hacia 1940 el arquitecto Vicente Mendiola construyó la casa cural" (Tovar: 332).

Este majestuoso templo es uno de los mejores ejemplos de la arquitectura neoclásica en el que se logra una perfecta armonía tanto en su espacio arquitectónico como en su ornamentación. Tiene dos particularidades muy especiales, su planta interiormente es de trazo barroco por el movimiento que tiene en su crucero, aspecto que pocos ejemplos de ese estilo existen en México como el Pocito en la Villa de Guadalupe o el desaparecido templo de Santa Brígida. La otra característica es que sobre el sotocoro se encuentran tres balcones como si fuera un teatro, probablemente era una capilla privada del conde Bassoco para asistir a las ceremonias con su familia y arriba se localiza el coro, que normalmente estaría en donde se ubica la capilla. Dentro de éste se encuentra un órgano de principios del siglo XX.

En la década de 1970 se encontraba en muy mal estado. Fue recimentado y restaurado en los ochenta. Fue intervenido en el 2002 por la Dirección General de Sitios y Monumentos del Patrimonio Cultural. Actualmente necesita nuevas intervenciones. Está bajo custodia de la Arquidiócesis de México y en el 2002, el responsable era el capellán presbítero Francisco Espinosa.

El inmueble resultó afectado por el sismo del 19 de septiembre de 2017.