12 декабря 1633 года в районе, прилегающем к Арбату, около будущей Спасопесковской площади, был размещён стрелецкий полк под командованием Филона Михайловича Оничкова. Стрельцы вскоре построили себе деревянную полковую церковь Преображения Господня, которая по документам известна с 1643 года, но появилась раньше.

В 1657 году впервые упоминается новый командир полка, Тимофей Матвеевич Полтев, который руководил более 20 лет. Под его началом стрельцы участвовали в войне с поляками в Белоруссии, подавляли медный бунт в Москве в 1662 году, служили в Казани и сражались с войсками гетмана Брюховецкого на Украине. В 1671 году за подавление восстания Степана Разина полк был награждён. В то время в нём служило около 800 человек.

В конце XVII века полком командовал стольник и полковник Григорий Иванович Анненков. В 1702 году стрельцы оказались в Батурине с Мазепой и участвовали в Северной войне. Полк был реорганизован, а земли в Москве заселили другие люди, которые в 1711 году построили на месте старого храма новую каменную церковь Преображения. Она сохранилась до наших дней без значительных изменений. В 1846 году были построены ворота церковной ограды, а в 1891 году их соединили с храмом новым притвором.

На углу Трубниковского переулка в 1877-1878 годах жил художник В. Д. Поленов, который создал здесь свою известную картину "Московский дворик". На заднем плане этого полотна изображена церковь Спаса на Песках.

Долгое время старостой храма был Сергей Петрович Тургенев, двоюродный брат писателя Ивана Сергеевича. Он был гусаром, адъютантом командующего Московским военным округом и вложил значительные средства в благоустройство храма и прихода.

Благодаря своему брату, И. С. Тургенев приобрёл у Поленова авторское повторение картины "Московский дворик", которое висело в его комнате до самой смерти, напоминая о России и Москве.

В 1931 году советская власть закрыла храм, а священник Сергей Успенский, служивший там 40 лет, был расстрелян. Здание использовалось как общежитие Метростроя, а с 1956 года в нём работала студия Союзмультфильм.

Церковь Спаса на Песках была возвращена верующим в 1991 году.