К концу XIX в. на территории Петровского парка располагались два детских приюта. Приют имени принца П. Г. Ольденбургского был учрежден в 1880 г. «для призрения 25 круглых сирот обоего пола всех сословий, в возрасте от 1 года до 5 лет» и находился по адресу: Петровский парк, угол Старого и Нового шоссе, собственный дом. 

Елизаветинский приют был открыт и освящен 4 мая 1893 г. в присутствии великой княгини Елизаветы Федоровны на пересечении Царской улицы (ныне – 2-я Хуторская) и Петровско-Разумовского проезда. Чуть позже, в 1901 г., здесь был открыт третий приют имени великой княгини Анастасии Николаевны для девочек старше восьми лет.

По инициативе и на средства купца и казначея Московского совета детских приютов М. С. Грачева для 80 воспитанников Ольденбургского и Елизаветинского приютов был выстроен «каменный храм со звонницей во имя святителя Митрофана Воронежского».

Проект храма был выполнен архитектором Г. А. Кайзером, перестраивавшим для Грачева усадьбу Грачевка. В «Московских церковных ведомостях» за 1895 г. встречается упоминание о Митрофановской церкви: «Вновь сооруженный храм сделан в древнерусском стиле с 5 главами, вершины которых увенчаны зеркальными в металлической оправе крестами. С западной стороны к храму примыкает невысокая колокольня». 

Фасады небольшого однопрестольного храма с двухъярусной колокольней насыщены декоративными элементами древнерусского зодчества. Оконные проемы с килевидными наличниками и выступающие столбы с треугольными навершиями обрамляют муфтированные колонки. По всему периметру здания идут аркатурные пояса, поребрик и ширинки. Храм и колокольню венчали шатры, барабаны угловых главок и верхний ярус колокольни были украшены кокошниками.
После смерти М. С. Грачева его вдова Варвара Николаевна устроила в северной части храма фамильный склеп. Однако перед закрытием храма она перенесла прах супруга на Введенское кладбище, где и поныне находится его могила.
В память о муже в 1911 г. В. Н. Грачева подает митрополиту Московскому и Коломенскому Владимиру прошение о постройке на собственные средства дома причта, на ремонт и содержание которого также жертвует капитал. Двухэтажное здание дома причта было возведено в 1912 году.

После революции, несмотря на многочисленные попытки закрыть храм, службы в нем продолжались до начала 1930-х гг. В 1922 г. был закрыт приют, а в 1934 г. и сам храм. Территорию приюта занимали Машиностроительный завод им. Калинина, общежития Метростроя, авиационный завод «Горизонт». Здание церкви в разное время использовалось под заводские нужды или пустовало. За это время храм был обезглавлен, сломан верхний ярус колокольни. Со стороны апсиды сделана пристройка, полностью утрачены интерьеры.

В 1990 г. здание было передано Русской православной церкви, здесь возобновились богослужения. Силами прихода по проекту архитектора С. Я. Кузнецова был восстановлен храм. Сегодня его облик несколько иной: вместо пятиглавия и шатрового завершения храм венчает одна глава на высоком барабане и четырехскатная кровля. Изменились форма и пропорции верхнего яруса колокольни, ставшего восьмигранным. Была демонтирована поздняя пристройка и восстановлена полуциркульная апсида. В киотах появились мозаичные изображения Митрофана (над входом в храм в колокольне), Спаса и преподобномученицы Елизаветы (на южном и северном фасадах.) Храм был заново расписан.

Сегодня здесь продолжаются традиции патронажа над юными воспитанниками, при храме действует Елизаветинское сестричество.