Церковь Павла была возведена около 1546 года мастером Григорием и представляла собой популярный в то время в московской и северной архитектуре тип «под колоколы». Согласно монастырской описи 1654 года, в церкви хранились мощи чудотворца Павла Обнорского. В описи 1687 года отмечено, что при игумене Иосифе колокольню церкви переделали в книгохранилище, которое ранее находилось над Успенской церковью. В этот же период был обновлён алтарь, а деревянную паперть заменили на каменную. Позже на месте библиотеки разместили престол во имя Сергия Радонежского, а книги вернули в Успенскую церковь. В церкви находился пятиярусный иконостас, схожий с иконостасом Троицкого собора.

Церковь Павла Обнорского и Сергия Радонежского была разобрана в 1875 году. На её месте построили одноглавую четырёхстолпную церковь во имя Корсунской Богоматери с приделами Сергия Радонежского и Павла Обнорского. Архитектура новой церкви была выполнена в неорусском стиле, характерном для конца XIX века. Как и многие другие монастырские постройки, церковь была разрушена в 1930-е годы.

На месте уничтоженной церкви в 2000-е годы была возведена деревянная клетская часовня, в которой находится рака над местом захоронения мощей преподобного Павла Обнорского.