Первое упоминание о храмовом сооружении на данном месте относится к 1745 году, когда Кабардинский конный полк установил здесь переносную полотняную церковь во имя Живоначальной Троицы. Впоследствии, при расквартировании Астраханского драгунского полка, на этом месте была возведена деревянная Никольская церковь. В период с 1762 по 1773 год храм перешел в ведение Кексгольмского пехотного полка и был переосвящен во имя святой великомученицы Екатерины.
В 1775 году, согласно указу Святейшего Синода, храм получил статус «оспенного», предназначенного для богослужений лиц, пораженных оспой или корью. Священнослужители, совершавшие требы в этом храме, не имели права посещать дома, где не было больных указанными заболеваниями. В ночь на Рождество 1809 года деревянная церковь полностью сгорела, сохранилась лишь храмовая икона святой Екатерины.
Закладка каменного храма состоялась 26 сентября 1811 года по проекту архитектора А.А. Михайлова 2-го. Строительство, начатое в 1812 году, велось на пожертвования местного купечества, однако было замедлено в связи с Отечественной войной 1812 года. Освящение трехпрестольного храма состоялось 23 ноября 1823 года епископом Ревельским Григорием (Постниковым).
Архитектурное решение храма выполнено в стиле классицизма с элементами греческого вкуса. Центральный объем представляет собой купольную ротонду с колоннадой ионического ордера. Первоначально западный фасад украшал восьмиколонный портик, замененный в 1861-1863 годах колокольней по проекту архитекторов Л.Л. Бонштедта и В.А. Болотова. В этот же период были возведены трапезная, каменная ограда с часовней и сторожкой.
В 1876 году при храме было учреждено Приходское Благотворительное общество, содержавшее женскую богадельню. В 1906 году на средства общества был приобретен участок земли для расширения благотворительных учреждений.
После 1917 года храм перешел к обновленцам, а в марте 1936 года был окончательно закрыт. В советский период здание использовалось под производственные помещения, затем было передано Всесоюзному нефтяному геологоразведочному институту. В процессе эксплуатации были утрачены иконостасы работы К.П. Брюллова и Г.И. Угрюмова, повреждена скульптура ангела на куполе.
Возвращение храма Санкт-Петербургской епархии состоялось в марте 1996 года. Первое богослужение после длительного перерыва совершено 21 ноября 1996 года. Реставрационные работы продолжаются по настоящее время.