Powstał w XIII w. z fundacji Leszka Białego lub Bolesława Wstydliwego i przejął funkcję kościoła parafialnego dla Radomia. Pierwotnie był to budynek jednonawowy (obecne prezbiterium). Z tego okresu zachowało się pięć otworów okiennych ostrołukowych oraz 3 przypory. W XIV w. nastąpiło dobudowanie nawy niesymetrycznej w stosunku do prezbiterium, a w XVI w. przebudowano szczyt zachodni.
Po trzecim rozbiorze Polski zlikwidowano parafię w Starym Radomiu włączając jej obszar do parafii św. Jana Chrzciciela w Nowym Radomiu. W 1802 r. kościół został zamieniony przez władze austriackie na magazyn mąki, następnie w czasie Księstwa Warszawskiego mieścił się tu magazyn wojskowy, a w drugiej połowie XIX w. władze rosyjskie zamieniły budynek na więzienie. W latach 1920-1927 utworzono tu szpital epidemiczny, a następnie (do 1945 r.) przytułek dla psychicznie chorych. Kolejne funkcje kościoła to: oddział psychiatryczny Szpitala Miejskiego 1945-1965 oraz Siedziba Ekspedycji Wykopaliskowej PAN (1965-1978). W 1978 r. obiekt przekazano kurii biskupiej w wieczystą dzierżawę i przystąpiono do odbudowy świątyni. Prace te zlecono Politechnice Krakowskiej, nadzór konserwatorski sprawował prof. Wiktor Zinn. Pierwszą mszę świętą w odrestaurowanym kościele odprawiono 9 czerwca 1985 r., natomiast 11 września 1992 r. ks. Biskup Edward Materski erygował parafię przy kościele św. Wacława.
Wnętrze zaprojektował prof. Wiktor Zinn. Jest ono swoistą panoramą dziejów Polski. Żyrandole oraz kinkiety ozdobione zostały przez mosiężne orły: piastowskie, Kazimierza Wielkiego, Jagiellońsk i z okresu II Rzeczpospolitej. Na szczególną uwagę zasługują witraże, w których ukazani są kolejno: Matka Boża AK, osłaniająca swoim płaszczem żołnierza, a Dzieciątko kładzie laur na jego głowie; św. Wacław w scenie przed bitwą odbiera miecz podarowany mu przez anioła; Leszek Biały, fundator pierwszego kościoła; św. Kinga, księżniczka węgierska, żona Bolesława Wstydliwego, która hojnie obdarowała kościół św. Wacława i Wanda Malczewska ur. w 1822 r. w Radomiu, zajmująca się pracą charytatywną wśród chorych i biednych; Tadeusz Rejtan na witrażu ukazującym upadek Polski.
W górnej części jest orzeł w kajdanach oraz daty trzech rozbiorów, w dolnej kościół św. Wacława w czasach, gdy był więzieniem; Jan Paweł II i Stefan Kardynał Wyszyński; orzeł zrywający się do lotu, czyli symbol wolności, a poniżej ks. Ignacy Skorupka, bohater obrony Warszawy, scena odprawiania mszy św. dla oddziału partyzanckiego oraz sylwetka odbudowanego kościoła; Krzyże: gdański, poznański i głaz w Radomiu.
Obrazy i malowidła ścienne również nawiązują do historii Polski. W łuku tęczowym przedstawione są postacie: św. Maksymiliana M. Kolbe, Romualda Traugutta, Andrzeja Boboli, Antoniego Rewery, ks. Jerzego Popiełuszki. Na północnej ścianie świątyni umieszczone są trzy dużych rozmiarów obrazy: Rok Święty 1983-1984; Matka Boża Częstochowska, opiekunka narodu polskiego; Chrzest Polski, Litwy i Rusi (obraz w prezbiterium). Na ścianie południowej znajdują się: obraz Chrystus przed ukrzyżowaniem oraz malatura ścienna w płycinie, Matka Boska ukazująca się więźniarce (dzieło Jerzego Witkowskiego, nawiązujące do obrazów Artura Grottgera).
W płycinie ściany południowej znajduje się malatura ścienna - Matka Boska ukazująca się więźniarce, dzieło Jerzego Witkowskiego, nawiązujące do obrazów Artura Grottgera. W ściany kruchty wmurowane są tablice pamiątkowe: harcerzy Szarych Szeregów, harcmistrza porucznika Jana Seredyńskiego ps. „Artur”, dr. Jerzego Borysowicza, ks. Stanisława Sikorskiego ps. „Jęk” oraz walczących o niepodległość Polski.