Ранее на месте, где сейчас стоит церковь, располагалось большое болото, известное как «лужище», откуда и произошло название «Залужье». Сергиевские ворота когда-то назывались Лужскими. Точных данных о строительстве Сергиевской церкви нет.

Скорее всего, церковь была построена после утраты Псковом независимости в 1510 году, так как до этого московские святые не пользовались здесь особым почитанием. Возможно, её возвели переселённые сюда москвичи на место высланных в Москву псковичей.

Некоторые архитектурные детали побудили исследователя Грабаря отнести церковь к XIV веку. Однако есть два важных момента: почитание Сергия началось лишь с XV века, а в летописи указано, что в 1561 году церковь сгорела в пожаре.

Таким образом, современный вид Сергиевская церковь приобрела не ранее второй половины XVI века. Ранее здесь был мужской монастырь, который в 1710 году стал подворьем Любятовского монастыря. В начале XIX века церковь была приписана к Ново-Вознесенской, а позже передана Сергиевскому реальному училищу. Последняя реставрация была проведена в 1885-1886 годах.

На южной стороне церкви расположен придел в честь преподобного Никандра, построенный в 1785 году купцом Иваном Яковлевичем Постниковым. Церковь стоит на подклети, вход в которую находится слева от паперти. У входа видны следы орнамента, покрывавшего часть подвальных стен. Подвалы глубокие и сводчатые. На северной стене храма находится изящная Псковская звонница с двумя пролетами для колоколов. В западную стену паперти вмонтирована повреждённая надгробная плита 1624 года.

После революции церковь была закрыта. До войны она выделялась среди других храмов своей нарядной главой с зелёной черепицей и разноцветным поясом из изразцов. Во время фашистской оккупации Пскова церковь сильно пострадала и обрушилась.

В 1970-х годах, во время реставрации, в стене был найден тайник с деревянным ящиком, в котором хранились 56 старинных рукописей XVI-XVII веков. Эти находки позволяют датировать строительство церкви 1580-ми годами, когда Сергиевский монастырь был переведён в городские укрепления из-за приближения войск Стефана Батория.

26 декабря 2011 года Правительство РФ утвердило план мероприятий к 700-летию Сергия Радонежского, включив в него храм. 24 апреля 2014 года Росимущество передало церковь в безвозмездное пользование местной религиозной организации.

В январе 2015 года начались реставрационные работы по проекту архитектора В. Никитина, одобренному в июле 2014 года. 25 августа митрополит Евсевий освятил кресты. Первая служба прошла вечером 7 октября, а 8 октября состоялся водосвятный молебен с крестным ходом.

Были воссозданы кровля четверика на восемь скатов, историческое покрытие главы, керамический лемех, двухпролётная звонница и придел преподобного Никандра Пустынножителя.