Situata nella California centrale, la missione San Luis Obispo de Tolosa prende il nome da San Luigi, vescovo di Tolosa, e fu fondata al quinto posto nella catena il 1 settembre 1772 da padre Junipero Serra. La missione fu fondata tre anni dopo che i padri scoprirono per la prima volta La Cañada de Los Osos – la Valle degli Orsi – durante un viaggio fallito da San Diego alla ricerca di Monterey.
Nel 1772, quando le forniture diminuirono nelle quattro missioni della California già stabilite, i residenti furono afflitti dalla mancanza di cibo. Ricordando la Valle degli Orsi, una spedizione di caccia fu inviata nell’estate del 1772 per portare indietro la carne. Gli indiani locali erano grati ai soldati per aver ucciso gli orsi, un nemico temuto. Parte della carne fu scambiata con la popolazione locale in cambio di semi commestibili, dopo di che Padre Serra decise che La Cañada de Los Osos sarebbe stato un luogo ideale per la quinta missione. Anche se la città di San Luis Obispo non è rimasta un’aspra terra di orsi, una statua di un orso grizzly si trova come promemoria nella piazza della missione.
Nel 1776, quattro anni dopo la sua fondazione, un indiano sparò una freccia infuocata sul tetto di uno degli edifici della missione, iniziando un disastroso incendio che danneggiò gravemente diversi edifici. Dopo questo incidente, i padri iniziarono a lavorare sulla fabbricazione di tegole in loco, per ridurre la suscettibilità al fuoco.
Come la città si è modernizzata, così ha fatto la missione. Quella che una volta era la mensa dei padri è ora questo centro giovanile. La missione San Luis Obispo è una delle poche missioni che non ha mai dovuto trasferirsi; si trova ancora sul suo sito originale.
Le mura della missione, che sono alte da 50 a 60 piedi, furono costruite secondo la legge del Vaticano. Questa legge stabiliva che le chiese dovevano essere costruite alte quanto l’albero locale – in questo caso, il pino. La chiesa, con una lunga navata secondaria, forma una chiesa a forma di L, l’unica del suo genere tra le missioni della California.
Padre Luis Antonio Martinez, che gestì la missione per 34 anni, coltivò un grande vigneto della missione. Vendeva parte di questo vino alle altre missioni quando non potevano coltivare il proprio, e lo esportava anche in Inghilterra e in Russia.