12 декабря 1633 года в местности, прилегающей к Арбату, вокруг позднейшей Спасопесковской площадки, был расквартирован стрелецкий полк и назначен его голова – Филон Михайлович Оничков. Вскоре стрельцы Оничкова построили себе деревянную полковую церковь Преображения Господня. По документам она известна с 1643 года, но возникла ранее этой даты.

В 1657 году впервые упоминается новый командир стрельцов, Тимофей Матвеевич Полтев, руководивший полком более 20 лет. Под его командованием стрельцы ходили воевать с поляками в Белоруссию, в 1662 году участвовали в подавлении медного бунта в Москве. Они служили в Казани, воевали с войсками гетмана Брюховецкого на Украине. В 1671 году за усмирение Степана Разина стрельцы Полтева были награждены. В полку в то время состояло около 800 человек.

В конце XVII века стрельцами командовал стольник и полковник Григорий Иванович Анненков. В1702 году стрельцы оказались в Батурине вместе с Мазепой, участвовали в Северной войне. Полк был переформирован, а стрелецкие земли в Москве заселили другие люди. Они и построили в 1711 году на месте ветхого стрелецкого храма новую каменную церковь Преображения. Она сохранилась до нашего времени без больших перестроек. В 1846 году были возведены ворота церковной ограды, соединённые с храмом новым притвором в 1891 году.

Поблизости, на углу Трубниковского переулка, в 1877-1878 годах снимал квартиру художник В. Д. Поленов. Здесь написал он одну из своих самых известных работ – картину Московский дворик. На заднем плане этого поэтичного полотна видна церковь Спаса на Песках.

Много лет старостой храма был Сергей Петрович Тургенев, двоюродный брат писателя, Ивана Сергеевича. Он был гусар, адъютант командующего Московским военным округом, богатый человек. Немалые деньги вложил в благоустройство храма и прихода.

Благодаря брату И. С. Тургенев приобрёл у В. Д. Поленова авторское повторение первого варианта картины Московский дворик. Это полотно висело в комнате писателя до его смерти, напоминая о России и Москве.

В 1931 году советская власть закрыла храм, вскоре расстреляли прослужившего в церкви 40 лет священника, о. Сергея Успенского. Здание заняло общежитие Метростроя, а с 1956 года в храме работала студия Союзмультфильм.

Церковь Спаса на Песках возвращена верующим в 1991 году.