Этот храм представляет собой уникальный памятник архитектуры и яркий пример нарышкинского стиля, а также выдающееся произведение декоративно-прикладного и изобразительного искусства.

Церковь имеет два престола: верхний, летний храм посвящен Спасу Нерукотворному, а нижний, зимний, Покрову Пресвятой Богородицы.

Храм был возведен в конце XVII века, в период с 1690 по 1694 годы, боярином Львом Кирилловичем Нарышкиным, который был родным дядей Петра I, в его подмосковном имении Фили. Архитектором выступил крепостной Яков Бухвостов.

Предание о создании храма связано с событиями Стрелецкого бунта 1682 года, когда после смерти царя Федора Алексеевича решался вопрос о престолонаследии между детьми царя Алексея Михайловича от двух браков. Родственники первой супруги, Милославские, стремились оттеснить Нарышкиных от престола. В результате, среди сторонников царевича Петра, от рук стрельцов погибли два старших брата Льва Кирилловича, Иван и Афанасий. Лев Кириллович, спрятанный царицей Натальей Кирилловной на женской половине царского дворца, молился образу Спаса Нерукотворного, дав обет построить храм в случае избавления от смерти. Через семь лет он выполнил обещание, разобрав старый деревянный храм в Филях и заложив новый каменный.

Существует предание, что Петр I выделил 400 золотых червонцев из казны на украшение храма. Автором резного убранства стал Карп Иванович Золоторёв, известный мастер Оружейной палаты.

История церкви в Филях, принадлежавшей семье Нарышкиных до 1868 года, богата знаменательными событиями. 7 июня 1763 года Фили посетила императрица Екатерина II, прибывшая в Москву на коронацию. Она присутствовала на богослужении в храме. Первые сведения об обновлении церкви относятся к 1782 году, когда были проведены значительные работы в интерьере нижнего храма под наблюдением знаменитого архитектора М.Ф. Казакова. Храм сильно пострадал в Отечественную войну 1812 года, когда солдаты Наполеона устроили там конюшни. Восстановление осуществлялось благодаря щедрым пожертвованиям, а основные работы были проведены в 1850-1853 годах на средства приходского старосты купца И.П. Гладилина. Храм оставался действующим до июля 1941 года. Великая Отечественная война нанесла значительный ущерб его архитектуре. До 1943 года здесь располагался лазарет, а затем, до 1963 года, склад бумажных изделий.

В 1952 году начались первые восстановительные работы. В 1971 году храм-памятник был передан Центральному музею древнерусской культуры и искусства имени Андрея Рублева. Основной объем реставрационных работ завершился к 1980 году.

14 октября 1992 года состоялось первое богослужение в нижнем храме, а с 28 марта 2000 года здесь возобновились регулярные праздничные богослужения. Из первоначального убранства сохранились храмовая икона «Покров Богородицы», икона «Трёх радостей» и дубовый престол, один из древнейших сохранившихся престолов.

В 2021 году началась комплексная реставрация здания, в рамках которой специалисты приведут в порядок фасады, кровлю, окна и двери, лестницы и гидроизоляцию.