Первое упоминание о церкви на этом месте относится к 1613 году. В 1696 году храм был перестроен на средства Ф. Я. Лефорта, сподвижника Петра I, владевшего обширным дворцом неподалеку. Современное здание храма было возведено к 1711 году на средства императора Петра I для Лефортовского полка. Архитектура храма сочетает черты, традиционные для русских храмов XVII века, с элементами барокко.
В 1839 году на пожертвования московских католиков и благотворительных организаций, по проекту архитектора Алессандро Жилярди, началось строительство новой католической церкви в Милютинском переулке, которая после завершения в 1845 году была освящена в честь апостолов Петра и Павла. Во второй половине XIX века около здания церкви были построены богадельня, дом библиотеки и правления Благотворительного общества, корпус женского училища, дом причта и церковно-приходской школы, составляющие вместе комплекс зданий храма.
После революции 1917 года храм и другие постройки перешли в ведение польских культурно-просветительских организаций. В 1933 году храм был закрыт, и в его здании разместился Государственный проектно-конструкторский и экспериментальный институт угольного машиностроения «Гипроуглемаш». Исторический облик церкви был полностью искажён.
В 1991 году католический приход Петра и Павла был зарегистрирован, однако здание храма осталось в собственности ОАО «Гипроуглемаш». В 2017 году Арбитражный суд Москвы признал здания на Милютинском переулке имуществом религиозного назначения и обязал правительство Москвы вернуть их римско-католической архиепархии Божией Матери.
