Впервые деревянный храм был построен на этом месте на Большой Ордынке, 60/2, в 1560 году, затем он был перестроен в камне.
По указу Екатерины II и на её личные средства был подготовлен проект и начато строительство нового каменного здания церкви в стиле барокко. Автором проекта стал Карл Иванович Бланк. Освящение храма состоялось в 1768 году. В память об основательнице храма в нем хранились два портрета Екатерины II, а также её многочисленные дары.
В ходе строительства была сохранена старая трапезная, а между старым и новым зданием возведена колокольня.
Все иконы в иконостасе были написаны знаменитым художником Дмитрием Левицким в соавторстве с московским художником-иконописцем Василием Васильевским.
Ограда вокруг храма сохранилась с 1769 года и была выполнена также по проекту Бланка. Для неё были использованы звенья фигурной решетки, сделанной в 1731 году мастерами Кремлевского дворца для Соборной площади. В 1742 году кремлевская ограда была разобрана и по распоряжению Екатерины II передана церкви на Ордынке.
Внутри летнего храма сохранились росписи купола, а в наши дни в храме были обнаружены старинные фрески, изображающие Святую княгиню Ольгу, Святого князя Александра Невского, Великого князя Владимира и др.
Росписи в церкви датируются началом 19 века и принадлежат художникам школы Левицкого (П, Паламарчук, «Сорок сороков»).
В 1855 году была сделана детальная опись церковного имущества, благодаря которой мы знаем, из каких икон состоял иконостас, кто был изображен на фресках и в куполе, а также какие драгоценные предметы и ценности принадлежали церкви.
В 1922 году из храма изъяли все ценности, а в 1931 году его закрыли, тогда же разобрали колокольню, а сам храм подвергся разорению. Иконы Левицкого пропали в неизвестном направлении. Из храма разрешили забрать только храмовую икону - образ Святой Екатерины, ее перенесли в другой храм, затем в третий.
После чего её следы потерялись. В наши дни в фондах ГМИР в СПб обнаружена икона Святой Екатерины, по описи 1855 года похожая на храмовую икону церкви Екатерины. Эта икона оказалась старше самого храма и была выполнена иконописцем Андреевым, мастером Оружейной палаты.
В советское время в храме было и жильё, и разные учреждения. В 1990 году его заняли реставрационные мастерские Грабаря.