Historia kościoła św. Anny w Wilanowie sięga XIV w., kiedy to wieś nazywana była Milanowym i stała się parafią. Swoim obszarem obejmowała rozległe tereny wilanowskie, a także tereny położone po drugiej stronie Wisły, które sięgały do wsi Wiązowna. Wtedy to też została wybudowana pierwsza drewniana świątynia. Pod koniec XVI w. został wzniesiony nowy drewniany kościół, który znajdował się, gdzie dziś mieści się ozdobny ogród przy oranżerii pałacowej. W wyniku powiększenia ogrodu pałacowego, kościół został przeniesiony w kierunku zachodnim, w pobliże drogi, która wiodła z Czerniakowa do Powsinka.
W 1772 r. z fundacji właściciela Wilanowa Augusta Czartoryskiego została wzniesiona nowa murowana świątynia według projektu Jana Kotelnickiego. Był to kościół jednonowy, w stylu późnobarokowym. W latach 1799-1831 wnuczka księcia Czartoryskiego Aleksandra z książąt Lubomirskich ufundowała dla kościoła cenne dzieła sztuki i rzemiosła artystycznego, które zostały przeniesione z kaplicy zamku Lubomirskich z Wiśniczu pod Krakowem. Na szczególną uwagę zasługuje obraz „Zwiastowanie NMP”, pędzla włoskiego mistrza z XVII w., który został umieszczony w ołtarzu głównym.
W 1857 roku z fundacji Augusta i Aleksandry Potockich nastąpiła gruntowna przebudowa kościoła według projektu Henryka Marconiego. Prace przy rozbudowie kościoła trwały 13 lat i zakończyły się 1870 r. ze względu na sytuację polityczną po upadku powstania styczniowego, konsekracja kościoła nastąpiła w 1884 r. przez arcybiskupa Wincentego Popiela.
Świątynia została wzniesiona w stylu neorenesansowym, wzbogacona o elementy architektury sakralnej Rzymu. Wzorcem dla Marconiego był kościół San Andrea w Mantui projektu wybitnego architekta włoskiego Leona Batisty Albertiego. Kościół został wzniesiony na planie krzyża łacińskiego z kopułą na skrzyżowaniu naw. Nad wejściem w fasadzie znajduje się wgłębny portyk, w formie olbrzymiej niszy o kasetonowym sklepieniu, a po bokach zostały usytuowane dwie wieże – dzwonnice. Do nawy głównej dobudowano nawy boczne, które przycięto transeptem z dwoma kaplicami na ich zakończeniu.
Fasadę kościoła zdobią fronton z alegorią „Zbawienia”, a także cztery kamienne posągi, które przedstawiają ustawionych w niszach świętych apostołów Piotra i Pawła, a na narożach elewacji Jana i Andrzeja. Ołtarz główny został wykonany przez Antoniego Sikorskiego i Leonarda Marconiego z barwnych importowanych marmurów. Strukturę ołtarza zwieńczają rzeźbiarskie alegorie „Wiary”, „Nadziei” i „Miłości”. W środku ołtarza usytuowany jest obraz „Zwiastowanie NMP”. Przed marmurową balustradą prezbiterium, pod kopułą została ułożona posadzka z okrągłych tafli granitu egipskiego, który pochodził z pociętej kolumny świątyni Pokoju cesarza Hadriana w Rzymie, podarowanej Aleksandrze Potockiej przez Piusa IX.
W kaplicy św. Anny znajduje się ołtarz z obrazem św. Anny, pędzla Leopolda Nowotnego. Nad wejściem znajdują się organy, których budowę rozpoczął Mielczarski, a ukończył po jego śmierci Józef Szymański. W kaplicy NMP znajduje się ołtarz, który pochodzi z kaplicy w Wiśniczu. W ołtarzy usytuowany jest obraz Matki Boskiej Łaskawej, pędzla wiedeńskiego malarza Leopolda Kupelweisera. W kaplicy znajdują się grobowce braci Potockich, które zostały przeniesione w 1867 r. kaplicy cmentarnej. Nawy boczne kościoła zamykają marmurowe ołtarze w lewej – św. Barbary, pędzla Franciszka Drewczyńskiego, w prawej figura Chrystusa uwiezionego, wykutą w marmurze carraryjskim przez Henryka Stattlera z Krakowa.