Здание, в котором ныне размещается церковь, было построено в 1776 году по проекту архитектора Фёдора Штенгеля на месте княжеских палат, уничтоженных пожаром 1763 года. Изначально оно служило резиденцией тверского губернатора и находилось на Екатерининской улице, переименованной при Павле I в Миллионную, а с 1919 года — в Советскую.
В 1898 году, при архиепископе Димитрии (Самбикине), здание было приобретено для размещения архиерейского дома. Архиепископ, стремясь восстановить традиции древнего тверского архиерейского дома, в котором существовали домовые храмы Всемилостивого Спаса и Двенадцати Апостолов, инициировал устройство новой церкви с посвящением последним.
Церковь была размещена в северо-западной части здания, во втором ярусе, в двухсветном зале, ранее использовавшемся как музыкальный. Высота помещения составляла 10 аршин, длина — 18 аршин без галереи и около 25 аршин с ней, ширина — 11 аршин 6 вершков. Освещение осуществлялось через два яруса окон: шесть в верхнем и семь в нижнем, расположенных на северной и западной сторонах. Стены были окрашены в светло-зелёный цвет и украшены карнизами. Церковь отапливалась калориферной печью, установленной снизу.
Освящение церкви состоялось 3 октября 1899 года архиепископом Димитрием в сослужении ректора Тверской духовной семинарии архимандрита Василия (Царевского), кафедрального протоиерея Петра Соколова, протоиерея Николая Модестова и иеромонаха Архиерейского дома Феофана. Епископ Старицкий Павел (Поспелов) совершил крестный ход со святыми мощами из кафедрального собора для новоосвященной церкви.
Вскоре церковь оказалась маловместительной, и в 1904 году было принято решение о расширении. С южной стороны была пристроена новая часть, при этом демонтирована стеклянная галерея, угрожавшая обрушением. Закладка новой пристройки была осуществлена 28 апреля архиепископом Димитрием. Строительство завершилось к 1 октября, и 3 октября 1904 года состоялось вторичное освящение церкви. Длина храма увеличилась до 11 сажен, высота и ширина остались прежними, длина алтаря была увеличена на два аршина.
В результате расширения здание архиерейского дома приобрело вид храма. Над алтарём был воздвигнут восьмигранный купол диаметром 4 аршина, покрытый белым железом и увенчанный позолоченным крестом высотой около 3 аршин. С Миллионной улицы был устроен вход в церковь, ведущий через притвор, устланный метлахскими плитками, затем через галерею — в храм по лестнице из 20 ступеней из Подольского белого камня. На лестнице имелись две площадки: одна вела в церковное помещение, другая — на хоры и колокольню. Существовал также вход в церковь с внутреннего двора архиерейского дома.
В 1917 году церковь была закрыта. В последующие годы здание использовалось для различных нужд: в нём размещались Обком КПСС и клуб швейников. К 1991 году здание находилось в аварийном состоянии.
В 1995 году комплекс был возвращён Тверской епархии. С помощью спонсорской поддержки были проведены реставрационные работы в церкви, однако средств на полное завершение работ не хватило. В связи с этим помещение храма использовалось как конференц-зал Тверской епархии.
