Первое упоминание о церкви на месте нынешнего храма датируется 1547 годом, когда здесь стояла деревянная церковь Святой Троицы в Старых Кузнецах. В 1625 году она сгорела, и на её месте была возведена деревянная церковь Николая Чудотворца в Котельниках. Название церкви и района связано с проживавшими здесь котельниками, которые изготавливали котлы для готовки.

В 1657 году купцы Строгановы заменили деревянное строение каменным храмом, где была устроена родовая усыпальница. В 1688 году церковь вновь перестраивается, и появляется новый придел. Главный престол был освящен в честь святителя Николая, а придел, в честь преподобных Зосимы и Савватия Соловецких. Со временем церковь обветшала и сильно пострадала в пожаре 1812 года.

В 1822-1824 годах по проекту О.И. Бове была построена новая церковь в стиле ампир, финансированная князем С.М. Голицыным в память о предках Строгановых. Храм расположился на склоне Швивой горки и был виден как с берега реки, так и с переулка вдоль фасада. На южной стороне церкви находятся три барельефа: вход в Иерусалим, поклонение волхвов и избиение младенцев.

В 1873 году вдова дьякона Евдокия Виноградова профинансировала создание нового придела мученицы Евдокии в трапезной. В 1892 году под руководством архитектора Н.П. Маркова прошла очередная перестройка храма.

В советское время, в 1932 году, храм был закрыт, обезглавлен, частично разрушен и перестроен, после чего здание передали химической лаборатории Управления геологии.

После частичной реставрации в 1970-х годах церковь получила статус памятника архитектуры и была взята под государственную охрану.

С 1992 года, когда храм вернули Русской Православной Церкви, начались работы по восстановлению и реставрации. В 1998 году в возрожденном храме открылось представительство Православной Церкви Чешских Земель и Словакии в Москве. 28 октября 1998 года состоялось Большое освящение храма, проведенное Святейшим Патриархом Московским и всея Руси Алексием II.