Изначально, в период с 1673 по 1679 годы, в селе Одинцово была возведена деревянная церковь во имя священномученика Артемона. Инициатором строительства выступил владелец села, боярин Артамон Сергеевич Матвеев, один из влиятельных государственных деятелей того времени. Церковь была построена в традициях деревянного зодчества и служила духовным центром для местных жителей.
Во второй половине 1790-х годов село перешло во владение графини Елизаветы Васильевны Зубовой. Старая деревянная церковь к тому времени обветшала, и графиня приняла решение о строительстве нового каменного храма. К осени 1801 года строительство было завершено, и новый храм был освящён во имя Гребневской иконы Божией Матери. Архитектурно храм выполнен в стиле зрелого классицизма и представляет собой двусветную купольную ротонду с прямоугольным алтарём. Фасады украшены колонными портиками, из которых до наших дней сохранился только восточный. Интерьер храма оформлен колоннами и пилястрами, что придаёт ему торжественный и величественный вид.
В 1898 году к храму были пристроены трёхъярусная колокольня и трапезная с двумя приделами: во имя святителя Николая и преподобных Сергия Радонежского и Саввы Сторожевского. Эти пристройки гармонично дополнили основной объём здания и обогатили его архитектурный облик.
В период Отечественной войны 1812 года храм подвергся осквернению и разорению французскими войсками. С 1813 по 1816 годы в храме не было священника, и богослужения не проводились. По клировым ведомостям 1813 года церковь готовилась к новому освящению.
После революции 1917 года Гребневский храм продолжал функционировать, однако содержание и ремонт церкви были возложены исключительно на церковную общину. В соответствии с постановлением ВЦИК от 23 февраля 1922 года из церковного имущества были изъяты драгоценные предметы из золота, серебра и камней, которые передавались в фонд Центральной комиссии помощи голодающим. Несмотря на трудности, храм оставался действующим до 3 ноября 1937 года, после чего был закрыт. В советское время здание использовалось как хозяйственный склад, что привело к утрате части его внутреннего убранства и повреждению архитектурных элементов. Тем не менее, в 1960 году храм был взят под государственную охрану как памятник архитектуры, что позволило сохранить его от полного разрушения.
Возрождение Гребневского храма началось в конце 1980-х годов. В марте 1991 года в храме были возобновлены богослужения, что стало важным событием для православной общины Одинцово. С этого времени начались работы по восстановлению и реставрации храма, направленные на возвращение ему первоначального облика и восстановление утраченных элементов. При храме была организована воскресная школа и православный молодёжный центр, что способствовало укреплению духовной жизни и религиозного образования в регионе.
