В 1709 году день почитания святого Сампсона Странноприимца 27 июня совпал с памятной для русского оружия датой: российская армия одержала победу над шведской в Полтавской битве. Церковь на Сампсониевском проезде была заложена Петром I как памятник этому и другим победным сражениям Северной войны и расположилась, по задумке императора, на Выборгской дороге.

Деревянный храм, который был освящен уже через год после битвы, перестроили в камне в 1728-1740 годах. Часть средств на строительство была получена от ярославского купца Ивана Андреевича Лапшина. Автор архитектурного проекта неизвестен.

Сампсониевский соборный комплекс состоит из трёх зданий голубого цвета: церкви и колокольни (1740 года постройки), а также часовни (1800 года). Последняя исполнена в стиле елизаветинского барокко. Окружает собор сквер, разбитый на месте старинного кладбища. С 1935 года церковь в честь Сампсона Странноприимца является охраняемым государством памятником архитектуры.

В 1987 году храм попал под покровительство Государственного музея-памятника «Исаакиевский собор», благодаря чему постройке был возвращен облик XVIII века. В 2017 году здание на 49 лет было передано в ведение Русской Православной Церкви.