Инициатива строительства принадлежала монахиням этого монастыря, стремившимся создать в Санкт-Петербурге центр духовной жизни для выходцев из Тверской губернии.
В 1894 году на участке, пожертвованном почётным гражданином Ф.П. Кручининым, была построена часовня во имя святителя Николая Чудотворца в память чудесного спасения цесаревича Николая Александровича в японском городе Отсу. Впоследствии возникла необходимость в возведении более крупного храма для удовлетворения потребностей растущей общины. Проектирование нового храма было поручено епархиальному архитектору Андрею Петровичу Аплаксину. Строительство началось в сентябре 1907 года, и уже в ноябре того же года была освящена новая часовня святителя Николая Чудотворца. В феврале 1908 года в нижнем храме был освящён придел во имя Спаса Нерукотворного Образа. Главный престол верхнего храма был освящён в декабре 1909 года во имя святой благоверной княгини Анны Кашинской, что совпало с восстановлением её церковного почитания в Тверской земле. В 1911 году были освящены верхние приделы во имя святителя Николая Чудотворца и святителя Алексия, митрополита Московского.
Архитектурно храм выполнен в неорусском стиле с элементами псковско-новгородского зодчества XV века. Здание представляет собой четырёхстолпный храм с тремя полукруглыми апсидами, разделённый пилонами на три нефа, боковые из которых оформлены двухэтажными галереями. Храм увенчан шлемовидным куполом на высоком барабане. Особенностью комплекса является стройная трёхъярусная колокольня, завершённая луковичной главой. Фасады здания были украшены майоликовыми вставками, выполненными в мастерской П.К. Ваулина, и росписями в арочных нишах.
После революционных событий 1917 года подворье было упразднено, и храм получил статус приходского. Монахини продолжали проживать во флигеле подворья до февраля 1932 года, когда были арестованы и высланы в ходе массовых репрессий против монашествующих. В 1933 году храм был закрыт, а некоторые иконы переданы в Сампсониевский собор. В 1934 году здание было подготовлено к сносу, который не состоялся. С 1939 года в помещении храма размещались художественные мастерские.
В 1994 году комплекс подворья был возвращён Русской Православной Церкви и передан Введено-Оятскому женскому монастырю. К тому времени здание находилось в аварийном состоянии: обветшавшая кирпичная кладка, отсутствующие купола, выбитые стёкла, затопленный подвал и неисправные инженерные системы. С 1995 года начались восстановительные работы, в ходе которых были заново сооружены купола, восстановлены инженерные коммуникации, остеклены окна и проведены другие реставрационные мероприятия. К 2009 году реставрация храма была завершена, и он отметил своё столетие.
