Храм святой равноапостольной княгини Ольги в Михайловке был построен в 1861–1864 годах по проекту профессора архитектуры Давида Ивановича Гримма. Закладка храма состоялась по заказу придворной конторы великого князя Михаила Николаевича, владельца Михайловской дачи. Церковь возведена в неорусском стиле с элементами суздальско-переяславской архитектуры. Основной объем храма квадратный в плане, с трех сторон окружен открытой арочной галереей, поддерживаемой 18 колоннами из серого песчаника. Купол выполнен из меди и увенчан позолоченным шлемовидным завершением.
Внутреннее убранство включало росписи академика Александра Бейдемана, создавшего также иконы для иконостаса. Колокольня, располагавшаяся отдельно, имела четыре колокола, отлитых на фабрике Стуколкина. До 1917 года храм служил домовой церковью семьи великого князя Михаила Николаевича.
После революции 1917 года здание использовалось под склад семян для детского дома «Красные Зори». В период Великой Отечественной войны в нем находился немецкий госпиталь. В послевоенные годы помещение храма использовалось как продуктовый магазин, а затем как спортивная база. В 1968 году произошел пожар, значительно повредивший здание.
В 1990 году храм получил статус памятника истории и культуры федерального значения. Восстановительные работы начались в 1998 году. Первая литургия после долгого перерыва состоялась в 2002 году. В 2007 году в цокольном этаже был освящен храм в честь святого мученика Юрия Новицкого.