Храм был возведен в 1838 году по проекту архитектора Г. И. Торричелли благодаря усилиям генерал-губернатора Новороссийского края Михаила Семёновича Воронцова, владельца Ак-Мечетской экономии. Церковь отличалась необычной колокольней, напоминающей английские соборы эпохи Шекспира.

Здание церкви, выполненное в псевдоготическом стиле, нетипичном для русской храмовой архитектуры, привлекало внимание своей оригинальностью и служило ориентиром для кораблей, приближающихся к Ак-Мечетской бухте. В оформлении церкви использовались элементы романской архитектуры: полукруглые арки окон и дверей, рельефы колонн внутри, резьба по камню. Строительство велось в период популярности в Европе и России «псевдоготического» стиля, который возрождал средневековые готические формы и мотивы. Воронцов, сын российского посланника в Англии, долгое время жил за границей и был увлечен такими архитектурными принципами. В XIX веке церковь святых Захария и Елисаветы в основном содержалась на средства, выделяемые Воронцовыми из доходов Ак-Мечетской экономии, в то время как пожертвования прихожан были скромными.

Внутреннее убранство храма не отличалось роскошью. Иконостас считался «ветхим», как указано в церковных документах, и его описание не сохранилось. Однако современные иконы в церкви заслуживают внимания. Постепенно восстанавливаются образы святых на иконах святого Стефана Саровского, Захария и Елисаветы, становясь более четкими. Икона «Распятие Христа», ранее принадлежавшая Н.И. Зубову, соратнику А. Солженицына, была передана храму после его смерти. Причт состоял из священника, дьяка и пономаря.

Существует информация, что во время русско-турецкой войны турецкое ядро попало в церковь, и с тех пор турки платили дань России, ядро из стены не извлекали. Дань продолжали платить даже после революции, вплоть до Второй мировой войны.

С 1930 года в церкви разместили клуб, а с 1941 по 1945 год она использовалась как склад. В 1981 году к зданию церкви пристроили двухэтажный корпус детско-юношеской спортивной школы с залом для занятий спортом, и здание стало борцовским залом, что привело к значительным изменениям его внешнего облика.

В 1990 году было принято решение о передаче храма в ведение Русской Православной Церкви.