De missie San Luis Obispo de Tolosa, gelegen in Centraal-Californië, is genoemd naar de heilige Lodewijk, bisschop van Toulouse, en werd als vijfde in de keten gesticht op 1 september 1772 door pater Junipero Serra. De missie werd gesticht drie jaar nadat de paters voor het eerst La Cañada de Los Osos – de Vallei van de Beren – hadden ontdekt tijdens een mislukte tocht vanuit San Diego op zoek naar Monterey.
Toen in 1772 de voorraden slonken bij de reeds gevestigde vier missies van Californië, werden de bewoners geplaagd door een tekort aan voedsel. Herinnerend aan de Vallei van de Beren werd in de zomer van 1772 een jachtexpeditie gestuurd om vlees mee terug te nemen. De plaatselijke Indianen waren de soldaten dankbaar voor het doden van de beren, een gevreesde vijand. Een deel van het vlees werd met de plaatselijke bevolking verhandeld in ruil voor eetbaar zaad, waarna pater Serra besloot dat La Cañada de Los Osos een ideale plaats zou zijn voor de vijfde missie. Hoewel de stad San Luis Obispo geen ruig berenland is gebleven, staat er een standbeeld van een grizzlybeer als herinnering op het missieplein.
In 1776, vier jaar na de stichting, vuurde een Indiaan een brandende pijl af op het dak van een van de missiegebouwen, waardoor een rampzalige brand ontstond die verschillende gebouwen zwaar beschadigde. Na dit incident begonnen de paters dakpannen ter plaatse te maken, om de brandgevoeligheid te verminderen.
Toen de stad moderniseerde, deed de missie dat ook. Wat ooit de gaarkeuken van de paters was, is nu dit jeugdcentrum. Missie San Luis Obispo is een van de weinige missies die nooit hoefde te verhuizen; ze staat nog steeds op haar oorspronkelijke plaats.
De muren van de missie, die 50 tot 60 meter hoog zijn, werden gebouwd volgens de Vaticaanse wet. Deze wet bepaalde dat kerken zo hoog moesten worden gebouwd als de plaatselijke boom – in dit geval, de den. De kerk, met een lang secundair schip, vormt een L-vormige kerk, de enige in zijn soort onder de missies in Californië.
Pater Luis Antonio Martinez, die de missie 34 jaar leidde, kweekte een grote missiewijngaard. Hij verkocht een deel van deze wijn aan de andere missies, wanneer deze hun eigen wijn niet konden verbouwen, en exporteerde deze ook naar Engeland en Rusland.