วัดโลกโมฬีไม่มีหลักฐานปรากฏอย่างแน่ชัดว่าสร้างขึ้นในสมัยใด แต่ได้ปรากฏชื่อวัดโลกโมฬีในตำนานของวัดพระธาตุดอยสุเทพ

ยุคอาณาจักรล้านนา

ในปี พ.ศ. 1910 พญากือนา ทรงให้ราชบุรุษไปนิมนต์พระมหาเถระเจ้ามาสืบศาสนาในล้านนา แต่พระมหาเถระทรงชราภาพมาก จึงให้พระอนันทะเถระและพระเถระที่เป็นศิษย์อีก 10 รูป มาสืบทอดพระพุทธศาสนาในดินแดนล้านนาซึ่งคณะสงฆ์เหล่านั้นได้จำพรรษาที่วัดโลกโมฬี อันเป็นสถานที่ใช้ในการต้อนรับพระราชอาคันตุกะจากต่างเมือง

ต่อมาในปี พ.ศ. 2070 พญาเมืองเกษเกล้า ได้ถวายบ้านหัวเวียงให้เป็นอารามวัดโมฬี และใน พ.ศ. 2071 ได้ทรงให้สร้างมหาเจดีย์และวิหารโลกโมฬี ต่อมาเมื่อพญาเกศเกล้าถูกลอบปลงพระชนม์ในปี พ.ศ. 2088 เหล่าข้าราชการ ขุนนาง ได้ทำพิธีที่วัดแสนนอก นำพระบรมอัฐิมาบรรจุไว้ที่วัดโลกโมฬีนอกกำแพงเมืองเชียงใหม่ด้านเหนือของพระอาราม ซึ่งเป็นพระอารามหลวงประจำพระองค์ จากนั้นเสนาอำมาตย์จึงได้ทูลเชิญพระนางจิรประภามหาเทวี พระอัครมเหสี ขึ้นครองราชสมบัติ ขณะนั้นล้านนากำลังอ่อนแอ สมเด็จพระไชยราชาธิราช กษัตริย์อยุธยา จึงยกทัพมาตีล้านนา แต่ด้วยพระนางจิรประภาได้ถวายเครื่องบรรณาการไปถวายขอเป็นมิตร พร้อมทูลเชิญสมเด็จพระไชยราชาธิราชเสด็จมาทำบุญที่กู่พญาเมืองเกศเกล้า วัดโลกโมฬี

ยุคล้านนาของพม่า

ช่วงเวลาที่เชียงใหม่ตกเป็นเมืองขึ้นของพม่าตั้งแต่ปี พ.ศ. 2122 เป็นต้นมา วัดวาอารามต่าง ๆ ถูกเผาทำลายไปมากมายแต่วัดโลกโมฬีไม่ได้ถูกเผา เนื่องจากพระเจ้าสาวัตถีนรถามังคะยอ กษัตริย์แคว้นล้านนาได้ทรงเมตตาธรรมพระมหาสมเด็จวัดโลกโมฬีไว้กับวัดวิสุทธาราม และเป็นวัดสำคัญในพระราชสำนักมาโดยตลอด

ยุครัตนโกสินทร์

ในปีพ.ศ. 2440 วัดโลกโมฬีตั้งอยู่แขวงบ้านทับม่าน แคว้นเจ็ดยอด เจ้าอธิการชื่อ ตุ๊พวก รองอธิการชื่อ ตุ๊คำ เป็นนิกายเชียงใหม่ มีโฉนดออกเมื่อวันที่ 17 สิงหาคม 2482 กระทั่งสงครามโลกครั้งที่สอง วัดโลกโมฬีถูกทิ้งให้ร้าง จนถึงปี พ.ศ. 2502 กรมศิลปากรได้ขึ้นทะเบียนวัดโลกโมฬีเป็นโบราณสถานแห่งชาติ

9 พฤศจิกายน พ.ศ. 2544 กรมการศาสนาได้อนุมัติให้ยกฐานะวัดโลกโมฬีจากวัดร้างให้เป็นพระอารามที่ถูกต้องตามกฎหมาย และได้แต่งตั้งให้พระญาณสมโพธิเป็นผู้รักษาการแทนเจ้าอาวาส และในปี พ.ศ. 2545 ได้มีการเททองรูปเหมือนพระนางจิรประภามหาเทวี ประดิษฐานภายในวัด

พิกัดภูมิศาสตร์: 18°47′46.36″N 98°58′57.51″E / 18.7962111°N 98.9826417°E / 18.7962111; 98.9826417