Храм Покрова Пресвятой Богородицы был сооружен в 1878 году по проекту академика архитектуры Василия Александровича Кенеля. Заказчиком выступил князь Николай Борисович Юсупов-младший, владелец дворца на набережной Мойки. Церковь разместили в левой надворной части здания на третьем этаже. Архитектурное решение выполнено в византийском стиле, популярном в тот период.
Освящение храма состоялось в 1882 году. В том же году, 4 апреля, в церкви состоялось венчание княжны Зинаиды Николаевны Юсуповой с графом Феликсом Феликсовичем Сумароковым-Эльстоном. В 1887 году здесь крестили их сына Феликса, а в 1915 году - дочь Ирину, причем на церемонии присутствовал император Николай II с вдовствующей императрицей Марией Фёдоровной.
После революции 1917 года храм прекратил богослужебную деятельность. В 1926 году он был окончательно закрыт, а в 1930-х годах помещение перестроили под лекционный зал. Церковная утварь и внутреннее убранство были утрачены.
Работы по восстановлению храма начались в 2005 году. Реставраторы воссоздали иконостас, архитектурный облик и живописные росписи, включая изображения двенадцати апостолов в купольном пространстве и четырех евангелистов. 21 декабря 2014 года состоялось малое освящение воссозданного храма.
В настоящее время богослужения в храме проводятся нерегулярно, преимущественно по особым случаям. Помещение сохраняет статус домовой церкви при Юсуповском дворце, являющемся музеем.