L'église est construite entre 1867 et 1874 sur les plans de l'architecte Théodore Ballu (1817-1885), connu pour sa reconstruction de l’Hôtel de ville de Paris et pour la réalisation de nombreux autres lieux cultuels : Sainte-Trinité, beffroi de Saint-Germain-l’Auxerrois, temple protestant du Saint-Esprit, Saint-Ambroise, restauration de la tour Saint-Jacques.
L’église Saint-Joseph est saccagée le 20 août 1899 par des anarchistes au cours de l'émeute de fort Chabrol.
Au cours de l'année 1990, des demandeurs d'asile déboutés y effectuent une grève de la faim. Cette action est alors soutenue par différentes associations.
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