Храм преподобного Серафима Саровского в Старом Петергофе был основан как подворье Серафимо-Дивеевского женского монастыря по личному распоряжению императора Николая II в 1904 году. Строительство осуществлялось в связи с особым почитанием царской семьёй преподобного Серафима Саровского и в благодарность за рождение наследника престола цесаревича Алексея.
Первоначально в 1904 году была возведена деревянная пятикупольная часовня, освящённая во имя преподобного Серафима Саровского. В 1906 году часовня была переосвящена в церковь во имя иконы Божией Матери «Умиление». В том же году рядом началось строительство каменного храма по проекту епархиального архитектора Николая Никонова в стиле нарышкинского барокко конца XVII века. Храм был освящён 19 октября (1 ноября) 1906 года епископом Нижегородским Назарием (Кирилловым).
К 1911 году на территории подворья находилось 13 зданий, включая два храма, двухэтажную гостиницу, сестринский корпус, баню, мастерские и приют для солдатских детей-сирот. При подворье действовали мастерские иконописи, мозаики, рисования и чеканки под руководством художника Ф.Ф. Бодалёва. Численность монашеской общины составляла около 80 человек.
В 1920-е годы в стенах подворья существовала тайная монашеская община. В 1932 году община была разгромлена, а насельницы и священник репрессированы. Оба храма действовали до 1938 года. В годы Великой Отечественной войны здания значительно пострадали: деревянный храм был уничтожен в 1941 году, а каменный лишился колокольни и глав.
В 1952 году здание каменного храма было передано «Петродворецторгу» и перестроено под торговые склады. Внутреннее пространство было разделено на четыре этажа бетонными перекрытиями, в алтарной части установлен грузовой лифт. К северному фасаду пристроили здание угольной котельной.
В 1990 году здание получило статус памятника истории и культуры. В 1993 году храм был возвращён Русской православной церкви. Первая литургия после длительного перерыва была совершена 1 августа 1993 года в день престольного праздника. С 1996 года начались восстановительные работы, в ходе которых были установлены кресты, заменена кровля, восстановлены системы отопления и электроснабжения.
В 2012-2020 годах проведена масштабная реставрация фасадов, в результате которой зданию возвращён исторический облик. Восстановлены пятиглавие и шатровая колокольня. В настоящее время продолжается работа по реставрации интерьеров, варварски разрушенных в советский период.