В 1737 году по приказу Императрицы Анны Иоанновны было выстроено первое деревянное здание церкви для служащих Конюшенного двора. Императрица повелела перевезти из Византии в новый храм Образ Спаса Нерукотворного, Плащаницу и икону Знамение. В 1746 году при Елизавете Петровне храм перестроили в камне.

В 1816-1817 годах по проекту архитектора В. Стасова началась реконструкция храма. На фасаде здания можно увидеть барельеф работы В. Демута-Малиновского «Вход Господен в Иерусалим» и «Несение Креста». Над украшением интерьера работали художники С. Безсонов и Ф. Брюллов, лепнина выполнена Н.П. Заколупиным, резной иконостас — работы скульптора В. Крейтана.

Церковь была свидетелем различных событий российской истории. «Печальная колесница», на которой в 1826 году было доставлено в столицу тело Александра I, была установлена на первом этаже здания, в 1837 году здесь отпевали А.С. Пушкина, а в 1857 году состоялась панихида по Михаилу Глинке, который скончался в Берлине.

После революции церковь закрыли, в ней размещался клуб конной милиции, затем — отделение института Гидропроект.

Храм был возвращен Русской православной церкви в 1990 году.