En la primera mitad del siglo XIX, la zona de Peski en el norte de Járkov era un pequeño asentamiento de 30 casas, hechas de madera y barro, con techos de paja. Los habitantes, en su mayoría ucranianos, se dedicaban a la agricultura y al transporte de mercancías entre el sur y el norte hasta la llegada del ferrocarril. Peski limitaba al este con la montaña universitaria y el jardín, con las tierras de los Bedryagins al oeste, los Serdyukovs al norte y los pantanos al sur, que más tarde se convirtieron en un corral. Con el tiempo, Peski comenzó a urbanizarse rápidamente, y los campesinos se trasladaron a otros lugares. La única parcela de tierra no edificada, de 784 varas cuadradas, se dejó para el edificio universitario, donde ahora se encuentra el templo de Panteleimon. En este lugar se abrió una fuente de agua curativa, y por orden del gobernador Kokoshkin se excavaron pozos para los habitantes.

Con el crecimiento de la población, surgió la necesidad de separar Peski en una parroquia independiente. En 1866, G.G. Fedorov intentó obtener tierras para construir una iglesia, pero debido a la falta de fondos y otras razones, no tuvo éxito. El ferrocarril afectó el transporte de mercancías, y la prohibición del gobernador sobre el almacenamiento de pan y heno empeoró la situación. A principios de la década de 1880, aparecieron en la zona residentes influyentes, como K.N. Zakharyev y N.A. Zheverzhev. En enero de 1882, se presentó una solicitud al obispo Justin, quien dio permiso para la construcción del templo. Los habitantes recolectaron 10 mil rublos para la construcción.

El 24 de mayo de 1882, el obispo Justin aprobó el plan de la iglesia y nombró un comité de construcción. El 6 de junio, bendijo el lugar de la colocación del templo. El comité decidió ampliar el proyecto, añadiendo dos altares. La viuda del comerciante E.M. Ognienko se encargó de la construcción de uno de los altares. La construcción avanzó rápidamente, y para 1883 se levantaron las paredes y la iglesia fue cubierta de hierro. La torre del campanario fue transformada en tres niveles. La decoración interior incluía íconos pintados por el artista M.F. Plotnikov y donaciones de los habitantes locales.

El arquitecto F.I. Danilov diseñó el proyecto en estilo ruso-bizantino. En 1897-1898, el arquitecto M.I. Lovtsov reconstruyó el templo, añadiendo elementos decorativos. Después de la revolución de 1917, el templo fue cerrado y utilizado como club y escuela. Durante la Segunda Guerra Mundial, se reanudaron los servicios, pero en 1961 el templo fue cerrado nuevamente. En 1982, el edificio fue entregado a una sociedad deportiva, pero no se realizaron reparaciones.

En 1989, el templo fue devuelto a la Diócesis de Járkov. El metropolitano Nicodemo celebró la primera liturgia en el templo semi-destrozado. El sacerdote Leonid Tanashkin se convirtió en el rector y comenzó la restauración. En 1990 se bendijeron las campanas, y en 1991, el altar principal. En 1992 se encontró la fuente perdida, y el área alrededor fue embellecida. En 1995, el rector Leonid Tanashkin falleció trágicamente.

El 26 de mayo de 1995, el proto-presbítero Nikolai Ternovetsky se convirtió en el rector. La restauración del templo continuó, y para 1999 se completaron todos los trabajos. En 2000, se devolvió la casa del primer rector, que fue restaurada y se convirtió en parte del conjunto arquitectónico.