Лейб-гвардии 2-й Стрелковый батальон был сформирован 27 марта 1856 года из чинов стрелковых рот 2-й Гвардейской пехотной дивизии. 29 апреля 1857 года Шефом л.-гв. 2-го Стрелкового батальона был назначен, родившийся в этот день, Великий Князь Сергей Александрович. 25 декабря 1857 года л.~гв. 2-й Стрелковый батальон был переименован в л.-гв. 2-й Стрелковый Царскосельский батальон с причислением к 3-й Гвардейской пехотной дивизии. В июле 1910 года батальон был развернут в одноименный полк и 6 августа того же года получил наименование — л.-гв. 2-й Стрелковый Царскосельский полк Полковой праздник первоначально приходился на 17 апреля, однако впоследствии был перенесен на 25 сентября, день памяти св. преподобного Сергия, игумена Радонежского.
До 1863 гола батальон имел церковь, находившуюся в казарме на Павловском шоссе, которая после перевода батальона в Варшаву была передана 1-му Стрелковому батальону. Из утвари 2-й Стрелковый батальон взял лишь складной иконостас и в казармах устроил походную церковь. По возвращении 1871 г. в Царское Село батальон был расквартирован на Гатчинском шоссе в зданиях провиантских магазинов, вблизи Орловских ворот. Богослужения в это время совершались в Софийском соборе. После возвращения батальона из Турецкого похода, в 1879 году, усердием командира батальона флигель-адъютанта полковника фон Мевеса и помощника ктитора купца Ераста Байкова в выделенном батальону помещении была устроена новая церковь, освященная 21 ноября 1879 г. протопресвитером о. Иоанном Рождественским.
«Длина церкви 25,2 аршин, ширина 7,7 аршин, высота около 8 аршин <...> Рядом с ней и вверху играют полковые музыканты <…> под церковью [находится] хлебопекарня. Два окна церкви обращены на батальонный двор...»
Из находившихся внутри церкви самыми ценными были две иконы: «Явления Божией Матери преподобному Сергию» — дар императрицы Марии Александровны и икона Спасителя - дар Светлейшей Княгини Екатерины Михайловны Юрьевской. На металлической доске, помещенной в храме, были начертаны имена погибших под Горным Дубняком, Араб-Конаком и Филиппополем.
В 1889 году недалеко от казарм, по ходатайству командира батальона генерал-майора Н.Д. Скарятина, для батальонной церкви, за счет казны было выстроено каменное здание, в котором разместились учебный зал ицейхгауз. Устроенная в этом же здании церковь была освящена 21 августа 1889 году законоучителем Царскосельского женского училища протоиереем о. Феодором Павловичем. Рядом с церковью была сооружена временная звонница. В 1903 году по инициативе командира батальона генерал-майора Сергей Ивановича Кутепова и на средства московского купца, потомственного почетного гражданина Николая Алексеевича Протопопова, по проекту архитектора А.Г. Успенского, к зданию был пристроен алтарь с солеёй и возведена высокая колокольня. Новый каменный храм во имя св. преподобного Сергия Радонежского был освящен в Высочайшем присутствии 19 ноября 1904 года. При освящении присутствовали также Главнокомандующий войсками гвардии и Петербургского военного округа Великий Князь Владимир Александрович шеф лейб-гвардии 2-го Стрелкового батальона Великий Князь Сергей Александрович. Чин освящения совершил протопресвитер военного духовенства о. Александр Желобовский.
Стены были сплошь покрыты фресками в стиле старинного суздальского письма XVI века, исполненного художником С.В. Чехониным. Нижний ряд икон был вставлен в рамы серебряной чеканной работы. Ряд образов, перед которыми горели изящные, ажурные лампады, помещался наверху. На плоском потолке голубого цвета, со звездами, находилось живописное изображение Св. Троицы, а с углов спускались четыре огромных светильника в виде ажурных чаш, проливающих мягкий желтоватый свет. За полукруглой аркой находился роскошный дубовый иконостас. На колокольне храма помещались восемь медных колоколов (общим весом в 172 пуда), самый большой из которых весил 106 пудов 30 фунтов.
В склепе под храмом был погребен один из строителей церкви, генерал-майор Сергей Иванович Кутепов, скончавшийся 16 сентября 1905 года, и командир роты поручик Павел Леонидович Леш, геройски погибший в 1915 г. на поле брани.
Церковь была официально закрыта 17 марта 1921 г., а ее имущество передано в церковь бывшего лейб-гвардии 1-го Стрелкового полка (также вскоре закрытую), колокольня снесена. В годы Великой Отечественной войны здание сильно пострадало и позже перестраивалось. В 1990-е здание храма было передано Пушкинскому учебно-курсовому комбинату автотранспорта. Мер по его сохранению много лет собственник - Министерство транспорта РФ - и арендаторы не предпринимали. В алтарной части храма находилось караоке-кафе с туалетами, а над гробницами русских воинов - героев I Мировой войны - пункт автосервиса.
26 сентября 2012 года храм преподобного Сергия Радонежского лейб-гвардии 2-го Стрелкового Царскосельского Его Величества полка (таково его официальное название) был возвращен Русской Православной Церкви. Через месяц в здании начались восстановительные работ.
08 декабря 2014 года Святейший Патриарх Кирилл освятил восстановленный храм преподобного Сергия Радонежского в Царском Селе и возглавил Божественную литургию в новоосвященном храме.