Храм в честь святого великомученика и целителя Пантелеимона в городе Сарове был возведен на территории больничного городка Клинической больницы №50. Инициатива строительства принадлежала главному врачу больницы Сергею Окову, предложившему в 2000 году создать часовню для духовного окормления пациентов. Идея получила благословение Святейшего Патриарха Алексия II во время его визита на Серафимовские торжества в Дивееве. Первый камень в фундамент храма был заложен 30 июля 2000 года.
Архитектурный проект разработан Андреем Балдиным, который предложил вместо часовни возвести полноценный храм в стиле классицизма. Строительство велось на добровольные пожертвования горожан и организаций без привлечения крупных спонсоров. Особенностью конструкции стали самонесущие тонкие стены из кирпича и шлакобетона, а также полый купол с ажурной стальной конструкцией, разработанной специалистом по судам на подводных крыльях Александром Суплотова. Технические решения позволили возвести храм на ограниченном пространстве, окруженном коммуникациями.
16 октября 2004 года храм был освящен епископом Нижегородским и Арзамасским Георгием. В 1892 году на этом месте располагалась домовая церковь при монастырской больнице Саровской пустыни, рассчитанная на 20 коек. Нынешний храм продолжает традицию духовного окормления больных, существовавшую в дореволюционном Саровском монастыре.
В храме находятся святыни: икона великомученика Пантелеимона с частицей мощей, написанная в Свято-Пантелеимоновом монастыре на Афоне; иконы преподобных жен Дивеевских с частицами мощей; икона преподобномучениц великой княгини Елисаветы и инокини Варвары; икона преподобного Феодора Санаксарского и праведного воина Феодора Ушакова; чтимая икона Божией Матери «Госпожа Ангелов» греческого письма.