L’église actuelle est construite à partir de 1803 rue Saint-Joseph (aujourd'hui rue Auguste-Comte). Elle est placée sous le patronage de saint François de Sales mort en 1622 à proximité .
Avant 1803, une église Sainte-Madeleine, plus petite, occupait le même emplacement : elle faisait le lien entre la Maison des Recluses (au nord de l’église actuelle) et le Couvent des filles pénitentes (au sud). Pendant la Révolution française, ces deux bâtiments (et peut-être l'église elle-même), devinrent une prison, connue sous le nom de prison des Recluses.
L'orgue actuel, construit en 1880 par Cavaillé-Coll, est le deuxième que connait l'église Saint-François-de-Sales. Le premier orgue fût construit en 1835 par le facteur alsacien Callinet, en tribune, au fond de l’église (au dessus de l'entrée principale). L'organiste titulaire était alors François-Charles Widor (le père de Charles-Marie). Fait exceptionnel pour un orgue de cette époque, il n'a jamais été modifié depuis sa construction (si ce n'est la pose d'une soufflerie électrique, en 1901)