На этом месте в XVII веке была построена первая деревянная церковь, которая к началу XVIII века пришла в упадок. В 1722 году молдавский князь Дмитрий Кантемир, владелец имения Чёрная Грязь, возводит новый храм с каменной основой и деревянным верхом, увенчанный одноглавым куполом. В 1759 году князь Матвей Кантемир-младший получает разрешение от московского митрополита на разборку старой церкви и строительство новой, полностью каменной. Новый храм выполнен из кирпича в стиле елизаветинского барокко, с белокаменным цоколем и декором. С западной стороны примыкает двухъярусная колокольня. Освящение состоялось 23 июня 1765 года.

В 1775 году Екатерина II приобретает имение и переименовывает его в Царицыно. Под руководством архитектора Василия Баженова начинается строительство императорской резиденции, в которую включают храм.

Во время войны 1812 года церковь пострадала. В 1813 году смотритель Царицына А. Егоров сообщает, что в сентябре 1812 года неприятельские войска повредили двери церкви и разграбили некоторые вещи.

К концу 1880-х годов Царицыно становится престижным дачным поселком. Храм и колокольня перестраиваются по проекту бюро «П. Н. Лавин и К°». Расширяется трапезная, освящается южный придел. Внутри храм украшают росписями и лепниной. Пол выполнен из асфальта с мраморной крошкой.

Колокольня становится четырёхъярусной с шестью колоколами, самый большой из которых весит 180 пудов.

После Октябрьской революции 1917 года храм продолжает действовать, несмотря на антиклерикальную деятельность «Политическо-спортивного союза молодежи». В 1920-1930-е годы церковь посещают представители дворянских родов, такие как Оболенские и Шереметевы. Службы и таинства продолжаются.

Однако в 1934 году колокола сбрасывают, а в 1938 году храм закрывают. Некоторые иконы прихожане и священнослужители уносят, часть передается в музеи, но большая часть церковной утвари и икон уничтожается.

С 1940-х годов здание храма используется как трансформаторная подстанция, в 1970-х, как типография. В 1975 году здесь размещается деревообделочный цех мастерских «Союзреставрация».

Осенью 1990 года храм передан общине верующих, и богослужения возобновляются. Сохранились росписи конца XIX, начала XX века и барочная лепнина XVIII, XIX веков.

6 мая 1998 года храм вновь освящён патриархом Алексием II.