Năm 1887, nhà thờ Tam Tòa được xây dựng, trở thành nhà thờ của giáo xứ Tam Tòa, vốn có nguồn gốc từ xứ đạo Ðông Hải, một trong những xứ đạo đầu tiên trong lịch sử Công giáo tại Việt Nam. Nhà thờ được xây dựng với phong cách kiến trúc Bồ Đào Nha.[1][2] Năm 1940, nhà thờ được tái thiết khang trang và hoàn chỉnh hơn.

Sau Hiệp định Genève năm 1954, hầu hết giáo dân xứ đạo Tam Tòa di cư vào Nam, thành lập giáo xứ Tam Tòa tại Đà Nẵng. Năm 1964, Sự kiện Vịnh Bắc Bộ nổ ra, chính phủ Mỹ ra lệnh khởi đầu cuộc chiến tranh phá hoại bằng không quân và hải quân kéo dài 9 năm với quy mô lớn và tàn khốc đối với miền Bắc Việt Nam. Vùng giáo xứ Tam Tòa cũng là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nặng nề của các trận không kích, vì vậy hầu hết cư dân, gồm cả giáo dân, đều đi tản cư. Kể từ đó nhà thờ xứ bị bỏ hoang.[3][4]

Trong 8 năm từ 1964 đến 1972, Không quân và Hải quân Mỹ nhiều lần không kích vào Đồng Hới. Hầu hết thị xã bị san phẳng bởi bom đạn, nhà thờ Tam Tòa cũng bị hư hại.[4]. Nặng nhất là trong trận không kích ngày 11 tháng 2 năm 1965, nhà thờ bị một trận bom đánh sập, chỉ còn lại phần tháp chuông với nhiều vết đạn.[2]

Sau khi chiến tranh kết thúc và Việt Nam thống nhất, phế tích nhà thờ được chính quyền Việt Nam giữ lại như một chứng tích chiến tranh.[2] Nơi đây từng là một địa điểm du lịch tham quan không chính thức của Đồng Hới trong nhiều năm. Mãi đến ngày 26 tháng 2 năm 1997, Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Bình mới ra quyết định số 143/QĐ-UB đưa khu vực tháp chuông nhà thờ Tam Tòa trở thành Khu Chứng tích tội ác chiến tranh và là Di tích văn hóa lịch sử cấp tỉnh, cần được bảo vệ nghiêm ngặt.[5]