Варварка, одна из старейших улиц Москвы, получила свое название благодаря местной церкви. Уже в XV веке упоминается Варварская улица с деревянной церковью святой Варвары. В начале XVI века деревянную церковь разобрали, и на ее месте по проекту итальянца Алевиза Нового, который также создал Архангельский собор в Кремле, построили каменное здание. Из всех построенных им церквей до наших дней в первозданном виде сохранился только собор Петра Митрополита в Высоко-Петровском монастыре.

Каменная церковь на Варварке, построенная в 1514 году, имела форму "восьмилистника" с одной мощной главой. Ее строительство финансировали купцы Василий Бобр, Федор Вепрь и Юшка Урвихвостов из Зарядья. Церковь простояла почти без изменений до конца XVIII века, когда ее разобрали из-за ветхости. Новый храм святой Варвары был построен на средства майора Ивана Барышникова и купца Николая Самгина. Строительство началось в 1796 году, а освящение состоялось в 1804 году.

Считается, что архитектором церкви святой Варвары был Родион Казаков, мастер классицизма. Здание имеет крестообразную форму, увенчано куполом с маленькой главкой и украшено четырехколонными портиками с севера и юга, с трехъярусной колокольней на западе. Церковь стоит на высоком цоколе, который не виден со стороны Варварки из-за перепада высот.

В 1812 году церковь пострадала от французских солдат и пожара, но была полностью восстановлена в 1820-х годах. После революции, в 1932 году, церковь закрыли, а улицу переименовали в честь Степана Разина. Храм лишился главы и верхнего яруса колокольни, его внутреннее пространство было разделено на этажи для склада и контор, но здание устояло.

В 1960-х годах, одновременно со строительством гостиницы "Россия" в Зарядье, были отреставрированы исторические памятники Варварки, включая церковь святой Варвары. Восстановили ее главу и часть колокольни. Внутри разместился Совет Московского областного отделения Всесоюзного общества охраны памятников истории и культуры.

В 1991 году храм передали общине верующих, и вскоре возобновились богослужения. В 1993 году улице вернули название Варварка. В 2007 году археологические раскопки под храмом обнаружили фундамент церкви XVI века, подтверждающий ее сходство с собором в Высоко-Петровском монастыре.

Реставрация 2014-2015 годов восстановила облик храма к 1880-м годам. Были отреставрированы фасады и декоративные элементы, воссозданы утраченные детали. Фасады выкрашены в теплый розовый цвет, а лепной декор имеет табачный оттенок с золочением. На северном портике раскрыли центральный дверной проем и установили металлические двери и белокаменную лестницу. Современные решетки заменили на исторические образцы. Воссозданы завершение колокольни и кресты.

В 2016 году храм стал лауреатом конкурса "Московская реставрация" в номинации "За лучшую организацию ремонтно-реставрационных работ".