К концу XIX века на территории Петровского парка находились два детских приюта. Приют имени принца П. Г. Ольденбургского был основан в 1880 году для ухода за 25 круглыми сиротами обоих полов всех сословий в возрасте от 1 до 5 лет. Он располагался на углу Старого и Нового шоссе в собственном доме.

Елизаветинский приют был открыт и освящен 4 мая 1893 года в присутствии великой княгини Елизаветы Федоровны на пересечении Царской улицы (ныне 2-я Хуторская) и Петровско-Разумовского проезда. В 1901 году здесь появился третий приют имени великой княгини Анастасии Николаевны для девочек старше восьми лет.

По инициативе и на средства купца и казначея Московского совета детских приютов М. С. Грачева для 80 воспитанников Ольденбургского и Елизаветинского приютов был построен каменный храм со звонницей во имя святителя Митрофана Воронежского.

Проект храма разработал архитектор Г. А. Кайзер, который также перестраивал для Грачева усадьбу Грачевка. В «Московских церковных ведомостях» за 1895 год упоминается, что храм был выполнен в древнерусском стиле с пятью главами, увенчанными зеркальными крестами в металлической оправе. С западной стороны к храму примыкала невысокая колокольня.

Фасады небольшого однопрестольного храма с двухъярусной колокольней были богато украшены декоративными элементами древнерусского зодчества. Оконные проемы с килевидными наличниками и выступающие столбы с треугольными навершиями обрамляли муфтированные колонки. По всему периметру здания шли аркатурные пояса, поребрик и ширинки. Храм и колокольню венчали шатры, барабаны угловых главок и верхний ярус колокольни украшали кокошники.

После смерти М. С. Грачева его вдова Варвара Николаевна устроила в северной части храма фамильный склеп. Однако перед закрытием храма она перенесла прах супруга на Введенское кладбище, где его могила находится и сейчас.

В память о муже в 1911 году В. Н. Грачева обратилась к митрополиту Московскому и Коломенскому Владимиру с просьбой о постройке на собственные средства дома причта, на ремонт и содержание которого она также жертвовала капитал. Двухэтажное здание дома причта было возведено в 1912 году.

После революции, несмотря на многочисленные попытки закрыть храм, службы в нем продолжались до начала 1930-х годов. В 1922 году приют был закрыт, а в 1934 году и сам храм. Территорию приюта заняли Машиностроительный завод им. Калинина, общежития Метростроя и авиационный завод «Горизонт». Здание церкви использовалось под заводские нужды или пустовало. За это время храм был обезглавлен, сломан верхний ярус колокольни. Со стороны апсиды была сделана пристройка, полностью утрачены интерьеры.

В 1990 году здание было передано Русской православной церкви, и здесь возобновились богослужения. Силами прихода по проекту архитектора С. Я. Кузнецова храм был восстановлен. Сегодня его облик изменился: вместо пятиглавия и шатрового завершения храм венчает одна глава на высоком барабане и четырехскатная кровля. Изменились форма и пропорции верхнего яруса колокольни, ставшего восьмигранным. Была демонтирована поздняя пристройка и восстановлена полуциркульная апсида. В киотах появились мозаичные изображения Митрофана (над входом в храм в колокольне), Спаса и преподобномученицы Елизаветы (на южном и северном фасадах). Храм был заново расписан.

Сегодня здесь продолжаются традиции патронажа над юными воспитанниками, при храме действует Елизаветинское сестричество.