Первая деревянная церковь на этом месте была заложена в 1712 году по повелению царевича Алексея Петровича в честь рождения дочери Петра I Анны Петровны. Храм освятили 3 февраля 1714 года во имя Архангела Михаила. Это было прямоугольное одноэтажное здание с башенкой и шпицем над алтарной частью. Со временем церковь обветшала.
В 1731 году императрица Анна Иоанновна повелела возвести на месте старой деревянной церкви новый каменный храм. Строительство велось по проекту архитектора Михаила Земцова при участии Ивана Бланка в 1731-1734 годах. 27 января 1734 года архиепископ Феофан Прокопович освятил храм в присутствии императрицы. Главный престол освятили во имя святых праведных Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы, правый придел - во имя Архангела Михаила, левый - во имя преподобного Ефрема Сирина.
Архитектура храма сочетает элементы петровского барокко с традициями древнерусского зодчества. Основной объем выполнен по принципу «восьмерик на четверике». Колокольня высотой 47 метров увенчана шпилем работы голландского мастера Германа ван Болеса. В 1753 году на колокольне установили куранты, перенесенные из закрытой церкви у дворца Меншикова.
В 1772 году в храме устроили придел во имя святого великомученика Евстафия Плакиды в память о рождении цесаревича Павла Петровича. Придел упразднили в 1802 году. В 1797 году храм стал капитульным храмом ордена Святой Анны. В 1803-1808 годах архитектор Михаил Выборов пристроил ризницу и часовню.
В 1869-1872 годах по проекту архитектора Георгия Винтергальтера провели реконструкцию: повысили колокольню, расширили храм и часовню, надстроили ризницу. 17 октября 1871 года освятили новый придел во имя иконы Божией Матери «Троеручица». С 1868 года при храме действовало Общество вспоможения бедным с детским приютом и богадельней.
В январе 1938 года храм закрыли. Помещение использовали как склад, затем разместили проектный институт. В 1951-1954 годах провели реставрацию здания. В 1980-х годах храм передали Метеорологическому музею. В 1991 году здание возвратили Русской Православной Церкви. 1 января 1995 года храм вновь освятили. В 1996-2013 годах выполнили капитальный ремонт. 15 февраля 2017 года совершили великое освящение храма.
В настоящее время в храме пять престолов: главный - во имя святых праведных Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы; приделы - во имя преподобного Ефрема Сирина, Архангела Михаила, иконы Божией Матери «Троеручица»; нижний храм - во имя святителя Николая Чудотворца.