El actual templo de San Francisco tiene su origen en el año de 1715, es decir solo seis años después de la fundación del entonces Real de Minas de San Francisco de Cuéllar —hoy la ciudad de Chihuahua— fundado en 1709, cuando llegó a la población fray Miguel Nájar, visitador de la Tercera orden de San Francisco, quien solicitó la autorización para construir el templo al Obispo de Durango, Pedro Tapiz y García, y al capital general de la Nueva Vizcaya, Manuel de San Juan y Santa Cruz, el solar donde se ubicó fue donado por el entonces corregidor general de la población, José de Orio y Zubiate, mismo que fue ampliado por ayuntamiento que lo entregó en custodia a la orden franciscana; como el templo principal de la población y que actualmente es la Catedral de Chihuahua ya estaba dedicado a San Francisco de Asís, se decidió que este segundo templo fue dedicado a San José, considerado patrono de los mineros, aunque sería más conocido por la población como el Templo de la Tercera Orden.
La construcción inició en 1721 y duró veinte años en completarse, aunque fue bendecido el 4 de octubre de 1726, y en 1738 se construyó anexa una capilla dedicada a San Antonio de Padua y finalmente la construcción concluyó en 1741 con la terminación de la torre. Posteriormente fue construido contiguo al templo un hospicio que luego llegaría a ser convento franciscano y del que actualmente solo sobrevive su antiguo portón de acceso coronado por el escudo de la orden.
En 1811 cuando llegaron prisioneros a Chihuahua varios de los insurgentes capturados en Acatita de Baján algunos de ellos fueron encarcelados en las instalaciones del convento, y el 30 de julio del mismo año tras su fusilamiento, fue sepultado en la capilla de San Antonio el cuerpo decapitado de Miguel Hidalgo y Costilla, iniciador de la lucha por la Independencia de México y considerado el Padre de la Patria. Su cuerpo permaneció en la capilla hasta su exhumación en 1823 en que fueron trasladados a la Ciudad de México.
En agosto de 1865 fue nacionalizado de acuerdo a las Leyes de Reforma durante la estancia del presidente Benito Juárez en Chihuahua y su antiguo convento enajenado a particulares y que concluyó con su destrucción, aunque el templo continuó destinado al culto público. El 13 de agosto del mismo año las fuerzas de intervención francesas ocuparon Chihuahua y el 16 de septiembre, aniversario de la Independencia organizaron una conmemoración oficial con una misa en el templo parroquial; los republicanos realizaron entonces una celebración paralela con una misa en el entonces templo de San José, oficiada por el párroco de Chihuahua, José de la Luz Corral; tras la misa, varios de los asistentes lidereados por un catedrático del Instituto Científico y Literario, Jesús Escobar Armendáriz, agredieron a los soldados franceses y en respuesta fueron encarcelados y su líder, Escobar, condenado a barrer las calles de la ciudad; en protesta a esta decisión de las fuerzas de ocupación, muchas mujeres de la población arrojaban flores a Escobar para que este las barriera en vez de la basura.
En 1891 por la bula Illud in primis del papa León XIII fue creada la Diócesis de Chihuahua y su antiguo templo parroquial dedicado a San Francisco fue elevado a categoría de Catedral y el título de la Santa Cruz, debido a ello al hasta entonces templo de San José le fue modificada su advocación, siendo dedicado a San Francisco de Asís, como hasta la actualidad. Posteriormente el templo ha sufrido varias remodelaciones sobre todo en su interior, en la actualidad es servido por religiosos de la Orden de Predicadores o dominicos y se considera como el edificio de mayor antigüedad aún en servicio en Chihuahua.
