Село Преображенское, где расположен храм, приобрело известность в XVII веке, когда царь Алексей Михайлович распорядился построить здесь летний дворец. Во времена Петра I здесь базировались потешные войска, из которых в 1687 году были сформированы Преображенский и Семёновский полки. В 1747 году на территории двора Преображенского полка была установлена деревянная церковь, освящённая в честь апостолов Петра и Павла. Главный престол во имя Спаса Преображения был освящён в 1800 году.
В 1763 году прихожане приняли решение о строительстве нового каменного храма. Строительство началось в 1765 году и завершилось в 1768 году. В 1781 году к храму были пристроены придел Петра и Павла и колокольня. Во время пожара Москвы в 1812 году церковь не пострадала, и богослужения в ней не прекращались.
С 1830 года при активном участии церковного старосты, купца Котова, храм начал благоустраиваться. В 1856 году Преображенский лейб-гвардии полк пожертвовал церкви икону Преображения Господня. 23 мая 1883 года, перед празднованием 200-летия Преображенского полка, церковь посетил император Александр III. После этого в храме был сооружён второй придел во имя Александра Невского.
После революции храм оставался действующим. Прихожанам удалось сохранить церковные ценности, включая колокола. Во времена массового закрытия церквей сюда приносили на сохранение иконы из других храмов. Во время Великой Отечественной войны прихожане собирали пожертвования для фронта. С 1944 года в храме находилась кафедра митрополита Крутицкого Николая (Ярушевича).
В 1963 году Мосгорисполком принял решение о сносе храма под предлогом строительства метро. Несмотря на собранные прихожанами более 2500 подписей в защиту храма, в 4 часа утра 18 июля 1964 года храм был взорван. Станцию метро «Преображенская площадь» построили в другом месте, а на месте храма был разбит сквер.
В 1990-х годах воссозданная община установила в сквере на месте храма деревянный крест и начала добиваться его восстановления. В 1999 году приход храма был официально зарегистрирован. 17 июля 2009 года правительство Москвы приняло решение о воссоздании храма на его прежнем месте. В основу проекта восстановления были положены чертежи 1883 года и архивные фотографии. Археологические раскопки выявили элементы церковной утвари и фрагменты амуниции солдат Преображенского полка.
Архитектурно-пространственное решение предусматривало полное воссоздание трёхпрестольного храма с трапезной и колокольней в формах XVIII — конца XIX веков. С учётом современной застройки было принято решение поднять здание на стилобат на высоту 4,2 метра, что позволило храму доминировать в ансамбле Преображенской площади и обеспечило дополнительные помещения под музей, хозяйственные и административные нужды.
8 мая 2015 года, накануне празднования 70-летия Победы в Великой Отечественной войне, восстановленный храм был освящён. С этого времени он является главным храмом Сухопутных войск Российской Федерации.
