Na wybór miejsca przez Zygmunta III mogło mieć znaczenie możliwość połączenia komnat królewskich Zamku Dolnego bezpośrednim przejściem-gankiem z kaplicą, szczególnie po zamachu Piekarskiego w roku 1620. Po wyburzeniu starej kaplicy, gromadzenie materiałów budowlanych do budowy kaplicy św. Kazimierza zaczęto w 1623 roku, a wiosną 1624 roku rozpoczęto budowę. Do realizacji kaplicy Zygmunt III zatrudnił braci Constantino Tencallę i Jakuba Tencallę. Projektantem kaplicy mógł być Matteo Castelli lub Constantino Tencallahttp://etalpykla.lituanistikadb.lt/fedora/get/LT-LDB-0001:J.04~2008~1367165344828/DS.002.2.01.ARTIC. Orga­nizatorem prac budowlanych był starosta orański, horodniczy Piotr Nonhardt. Zasadnicze prace budowlane ukończono do 1632 roku, jednak z powodu śmierci króla Zygmunta III, a następnie toczonych przez Władysława IV wojen z Moskwą i Turcją, dopiero w 1636 roku dokonano przeniesienia do kaplicy relikwii św. Kazimierza.