Первые упоминания о храме относятся к началу XVII века. В 1612 году, во время Московской битвы между русскими ополченцами и польско-литовским войском гетмана Ходкевича, в районе «Климентьевского острога» происходили ожесточённые сражения. В этих боях казаки, оборонявшие острог и церковь святого Климента, проявили мужество и стойкость. Согласно летописным источникам, после временного захвата острога противником казаки, увидев вражеские знамёна на церкви, с особым усердием вернулись и вновь овладели укреплением.
В 1657 году на месте деревянной церкви был возведён первый каменный храм. К 1662 году, благодаря усилиям думного дьяка Александра Дурова, храм был расширен и включал три придела: Преображения Господня, Знамения и святителя Николая Чудотворца.
В 1720 году храм был вновь перестроен и освящён. В период с 1756 по 1758 годы к нему были добавлены трапезная и колокольня. В 1762 году прихожане получили разрешение на снос основного объёма старого храма, и к 1769 году, на средства купца Кузьмы Матвеева, был завершён пятиглавый барочный храм, сохранившийся до наших дней. Точное авторство проекта неизвестно; предполагается, что строительство осуществлялось под руководством архитектора Ивана Яковлева по проекту Пьетро Антонио Трезини или Алексея Евлашева. Согласно рукописному «Сказанию о церкви Климента папы Римского в Замоскворечье», обнаруженному в середине XIX века, значительные средства на строительство также выделил генерал-фельдмаршал Алексей Бестужев, чья усадьба находилась поблизости.
Архитектурный облик храма представляет собой образец барокко елизаветинской эпохи. Пятиглавый храм отличается гармоничными пропорциями и богатым декором. Фасады украшены пилястрами, карнизами и лепниной, характерными для стиля барокко. Внутреннее убранство храма включало фрески и иконостас, выполненные выдающимися мастерами своего времени.
В советский период храм был закрыт в 1934–1935 годах. Здание использовалось как книгохранилище Обменно-резервного фонда библиотеки имени Ленина, что способствовало сохранению значительной части внутреннего убранства и иконостаса. В 1986–1987 годах часть церковной литературы, хранившейся в храме, была передана Московской духовной академии и Оптиной пустыни.
В 2008 году здание храма было возвращено православной общине, а книги вывезены. В течение нескольких лет богослужения совершались только в северном приделе. При финансовой поддержке правительства Москвы была проведена реставрация, завершившаяся в 2014 году. 27 сентября 2014 года патриарх Кирилл совершил чин великого освящения отреставрированного храма.
В настоящее время храм святого Климента, папы Римского, является действующим православным храмом, в котором регулярно проводятся богослужения. В храме хранятся многочисленные святыни, включая древние иконы святителя Климента и святителя Николая Чудотворца, а также частицы мощей различных святых.
