Храм был спроектирован губернским архитектором Ясныгиным, а колокольня, архитектором Соколовым. Строительство нового храма на месте старого началось в 1798 году и завершилось в 1804 году. В 1818 году началось возведение новой колокольни, которое завершилось в 1833 году. В 1851 году была добавлена западная паперть и установлена каменная ограда с железными решетками.

Храм выполнен в виде ротонды с византийским куполом, увенчанным главой на трибуне. Боковые входы украшены портиками с колоннами дорического ордера, такой же портик находится над главным окном алтарной апсиды. Трапезная часть окружена колоннадами из четырех колонн с парапетами и полукруглыми нишами в центре.

Колокольня состоит из трех ярусов и соединена с храмом. Первый ярус имеет четырехугольную форму с портиками на каждой стороне; колонны смешанного ордера, ионического с переходом в коринфский. Второй и третий ярусы круглые, с ионическими колоннами у арок. Высота колокольни с крестом составляет 87 метров. Главный престол храма освящен в честь святых Жен Мироносиц, а приделы, в честь Казанской иконы Божией Матери (1800) и Сретения Господня (1809).

Иконостас храма был его главным украшением, включавшим иконы из старого храма. В приделах находились почитаемые иконы, такие как Казанская икона Божией Матери с крестом-мощевиком, иконы Спасителя, святителя Николая Чудотворца, мучеников Флора и Лавра XVII века и мученика Власия XVII века. В Сретенском приделе особо почиталась икона Сретения Господня, написанная по заказу калужан во время чумы 1771 года. Мироносицкий храм находился на окраине города в сторону Москвы. 2 февраля 1771 года, на праздник Сретения Господня, в храм прошел крестный ход, где горожане молились о защите от бедствия. Крестный ход повторился 2 февраля 1813 года из-за эпидемии горячки после войны 1812 года.

Храм был закрыт в 1930 году и использовался как склад. С 1960 года он является памятником архитектуры республиканского значения. В 1990 году храм был возвращен Церкви, и 29 апреля того же года был проведен первый молебен. Главный престол освятил в 1993 году архиепископ Климент. Первым настоятелем стал протоиерей Александр Козлович. 5 июля 1993 года игумен Донат (Петенков) был назначен председателем приходского совета и ответственным за восстановительные работы, а с 2012 года стал настоятелем храма. В ходе работ была обновлена крыша, пол выложен мрамором, проведено отопление, заменена электропроводка, установлены новые рамы и двери, храм отштукатурен и окрашен, изготовлены иконостасы и начата роспись. 29 января 2007 года храм был передан в собственность Калужской епархии.

В 1990-е годы храм дважды посещали Высшие Церковные иерархи: в 1992 году Святейший Патриарх Алексий II, а в 1994 году Патриарх Александрийский Парфений III.