Первая деревянная церковь появляется на этом месте еще в XVII веке. К началу XVIII века она сильно ветшает. В 1722  владелец здешнего имения Чёрная Грязь – молдавский князь Дмитрий Кантемир – строит на ее месте новый храм с каменной нижней частью и деревянным верхом. Церковь увенчана одноглавым куполом. В 1759 князь Матвей Кантемир-младший просит у московского митрополита разрешения разобрать старую церковь и построить новую – полностью каменную. Новый храм строят из кирпича в стиле елизаветинского барокко. Цоколь и декор — из белого камня. С западной стороны к храму примыкает невысокая двухъярусная колокольня. Освящение происходит 23 июня 1765 года.

В 1775 году Екатерина II покупает «Черную Грязь» и переименовывает ее в Царицыно. Под руководством придворного архитектора Василия Баженова здесь начинается строительство императорской резиденции. Баженов включает храм в новый архитектурный ансамбль.

Во время войны 1812 года церковь пострадала. Смотритель Царицына А. Егоров сообщает в Кремлевскую экспедицию строений в 1813 году: «прошлаго 1812 года сентября с 12-го нашедшими в село Царицыно неприятельскаго войска командами салдат у церкви двери разломаны и в оной некоторыя вещи пограблены, и положенныя в оною для безопасности от пожару Волосныя дела все разбиты и раскиданы».

В конце 1880-х гг. Царицыно превращается в престижный дачный поселок. К тому времени храм и колокольня перестроены по проекту архитектурно-технического бюро «П. Н. Лавин и К°». Расширяется трапезная. Освящен южный придел. Внутри храм украшают росписями и лепным декором. Пол кладут «асфальтовый с насыпкою мрамора».

Колокольня становится четырёхъярусной – на ней теперь шесть колоколов. Самый большой весит 180 пудов.
После Октябрьской революции 1917 года храм по-прежнему действует – несмотря на активную антиклерикальную деятельность «Политическо-спортивного союза молодежи» (организация занимает здание Третьего кавалерского корпуса неподалеку). Даже в 1920–1930-е гг. в церковь еще приходят живущие в посёлке Ленино (Царицыно) представители древних дворянских родов — Оболенские и Шереметевы. В храме не прекращаются службы и таинства.

Однако в 1934 году с колокольни сбрасывают колокола. А в 1938 году храм закрывают. Некоторые иконы уносят прихожане и священнослужители. Некоторые передаются в музеи. Однако большая часть церковной утвари и икон уничтожается.

С 1940-х гг. здание храма используется как трансформаторная подстанция. В 1970-х гг. – как типография. В 1975 году в нём размещается деревообделочный цех научно-реставрационных мастерских объединения «Союзреставрация».

Осенью 1990 года храм передан общине верующих – в нем возобновляются богослужения. От дореволюционного убранства в храме сохраняются росписи конца XIX — начала XX вв. и барочная лепнина XVIII — XIX вв.

6 мая 1998 года храм вновь освящён патриархом Алексием II.