Каменная оранжерея была сооружена в 1789–1792 годах при перестройке Лефортовской императорской резиденции Екатерины II после пожара 1771 года. Как предполагают исследователи, первоначальный проект С.А. Волкова был исправлен и дополнен именитым Дж. Кваренги. Здание оранжереи представляло собой прямоугольный корпус, вытянутый по оси восток – запад, с центральным выступом на северном фасаде и боковыми павильонами. К югу оранжерея была обращена остекленным фасадом, а к северу – каменным пристенком.

При Павле I Екатерининский дворец и служебные корпуса при нем были превращены в казармы и переданы в ведение Московского военного генерал-губернатора, получив наименование Екатерининских казарм. Первоначально здесь разместились восемь батальонов 2-го Московского гарнизонного полка Дворцового ведомства.

Во время войны 1812 г. Слободской сад сильно пострадал от вандализма – были сломаны и сожжены многие старинные деревянные павильоны, разграблены фонтаны, разбита садовая скульптура, перебиты стекла оранжерей. Последствия военного времени были ликвидированы в ходе восстановительных работ в конце 1810-х гг.

Постепенно Лефортово стало превращаться в район военно-учебных заведений, статус которого в значительной степени сохранился и до настоящего времени. Первым шагом к этому стало размещение в Екатерининском дворце Смоленского кадетского корпуса (в 1824 г. переименован в Московский Кадетский корпус). Для этого здание бывшего дворца было переоборудовано по проекту и под руководством архитектора О.И. Бове.

В 1870-х в Екатерининском дворце расположилась Московская военно-фельдшерская школа. Здание оранжереи было приспособлено для помещений канцелярии, располагавшихся на первом этаже, квартиры директора школы (с балконом), трех квартир для семейных воспитателей, четырех квартир чиновников и отдельной комната для женатого писаря.

В советские годы здесь сначала расположилась хозяйственная часть, а затем коммунальное жилье служащих Военного госпиталя. В помещениях были установлены новые перегородки, пробиты новые проемы (например, вместо четырех окон в северном ризалите было устроено шесть), при устройстве парового отопления уничтожены все печи.

В начале 1980-х гг. в связи с планами прокладки Третьего транспортного кольца через Лефортово рассматривался вопрос сносе рассматриваемого здания, которое тогда же было отселено. Благодаря усилиям общественности проект не был осуществлен (позднее трассу проложили в подземном тоннеле). Отселенное же здание было позабыто, постепенно ветшая и разрушаясь.

В 2000-е годы здание было передано в аренду общественному движению «Христианский немецкий союз», которое должно было реконструировать его под общественный культурно-образовательный центр. Однако начавшиеся работы, в ходе которых была произведена разборка обветшавших несущих конструкций и перекрытий и монтаж современных железобетонных, вскоре были остановлены из-за имущественных споров.

К 2013 здание сохранило лишь капитальные стены, и было включено в программу льготной аренды Правительства Москвы «1 рубль за 1 квадратный метр». Реставрация была завершена уже в мае 2014 года. Специалисты проделали колоссальную работу: расчистили постройку от поздних сооружений, произвели вычинку кирпичных стен, восстановили покрытия фасадов, переделали перекрытия и в полном объеме воссоздали белокаменные лестницы, а также крышу.