Зацепская площадь в XVII веке была одним из крупнейших пунктов таможенного досмотра. По легенде, для упорядочения движения возов и предотвращения давки вдоль улицы была протянута цепь, и приезжавшие в Москву купцы с товаром стояли «за цепью». Есть и другая трактовка названия: возы могли «зацепить» для досмотра. При въезде в город традиционно ставилась церковь. На Зацепе она была освящена в честь святых Флора и Лавра.

В конце XVI века, вскоре после создания стен Земляного города, новой московской границы, сюда с Полянки переехали ямщики, создавшие свою Коломенскую-Ямскую слободу. Такое же название до 1922 года носила часть Дубининской улицы. Ямщики создали первую деревянную церковь в честь святых Флора и Лавра – небесных покровителей скота, в особенности лошадей. В Смутное время церковь сгорела, и в 1628 году новый храм слободы был освящён уже в честь святых Петра и Павла, с приделом Флора и Лавра. Здание полностью сгорело в 1738 году, на его месте возникла каменная церковь. Посвящение снова изменилось: главным стал престол во имя иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость», при нём приделы – Флоролаврский и Петропавловский. Окончательно облик храма сформировался в XIX веке: трапезная с приделами и колокольня сооружены в 1835 году, новый четверик вместо старого возведён в 1861–62 годах.

Облик церкви выдержан в единой ампирной стилистике. Декор выполнен в целом скромно, однако церковь отличается своими размерами, становясь центральным объектом всей Зацепской площади.

Храм действовал дольше остальных церквей в округе, но в 1938 году всё же был закрыт. Здание превратилось в цех фабрики металлографических и граверных работ, интерьеры уничтожены, внутренне пространство разгорожено на этажи, глава сбита, колокольня разрушена до первого яруса, утрачены многие детали фасадов. Окружающая застройка полностью исчезла, включая бывший дом причта, стоявший с севера. Вокруг церкви был устроен разворотный круг трамваев. Из-за вибрации здание получило трещины, ядовитые испарения вредили стенам, а земля была заражена вредными отходами.

Лишь с 1991 года началась реставрация, фабрика выехала. К 850-летию Москвы церкви вернули исторический облик, восстановлены глава и колокольня.

В 2015-2016 гг. были проведены работы на фасадах колокольни, притворов и трапезной, а также по объемам храма. Кровля купола колокольни была расчищена и покрашена, сделана докомпоновка утраченных фрагментов. Реставрация северной и южной папертей храма включала работы по сохранению подлинных каменных ступеней.

Храм стал лауреатом конкурса "Московская реставрация-2016" в номинации "лучшая организация ремонтно-реставрационный работ".