На месте часовни в 1722 году был построен деревянный храм. 2 сентября 1722 года состоялось торжественное освящение храма во имя святого великомученика и целителя Пантелеймона. Император Петр I задумывал эту церковь как храм-памятник русскому флоту, одержавшему к тому времени две великолепные морские победы – при Гангуте 27 июля 1714 года и при Гренгаме 27 июля 1720 года.

Название церкви произошло оттого, что обе эти победы были одержаны в день Святого Пантелеймона. Улицу, начинающуюся у церкви, также назвали Пантелеймоновской (ныне улица Пестеля). В 1734 году, во время правления Анны Иоанновны рядом с деревянной церковью был заложен новый каменный храм. 

Строительные работы под руководством Н. Шумахера закончились в 1739 году. Часто авторство приписывается Ивану Коробову, поскольку он внес достаточно много поправок в первоначальный проект Шумахера. Торжественное освящение нового храма состоялось 27 июля 1739 года. 

15 июня 1935 года Пантелеймоновская церковь была закрыта, а само здание стало использоваться под склад зерна, затем  - как текстильный цех. В 50-е годы XX века мемориальные доски были отреставрированы. В 1981 году в здании Пантелеймоновской церкви разместился филиал музея истории Ленинграда Гангутская слава.

Наконец, в 1994 году здание было передано Санкт-Петербургской епархии, проведена реставрация церковных помещений. Архитектура церкви является характерной для первой половины XVIII века: пилястры дорического ордера на фасадах, фигурный лучковый фронтон над местом расположения алтаря, высокий граненый купол на восьмигранном барабане и колокольня со шпилем.