В 1692 году, по прошению стольника и подполковника Ивана Фёдоровича Башева, в Капитанской слободе была заложена деревянная церковь во имя святых апостолов Петра и Павла. К 1695 году строительство было завершено, и храм стал духовным центром для жителей слободы, состоящей преимущественно из военных и их семей.
В 1705 году началось возведение каменного храма на месте деревянного. Существует мнение, что проект храма был создан при участии архитектора Ивана Петровича Зарудного, однако это предположение основано на стилистическом анализе и не подтверждено документально. Известно, что Пётр I пожертвовал на строительство 2000 рублей и, по некоторым данным, лично составил чертёж храма, что подчёркивает его заинтересованность в развитии церковной архитектуры в духе реформ.
31 августа 1708 года был освящён престол в нижней церкви. Строительство верхнего храма продолжилось в 1714 году, но было приостановлено из-за указа Петра I о запрете каменного строительства в Москве. Завершение строительства состоялось в 1723 году под руководством архитектора Ивана Мичурина.
Колокольня храма была возведена в 1745–1746 годах под руководством архитектора Карла Бланка. В середине XIX века в нижнем храме были устроены приделы во имя святителя Николая Чудотворца и иконы Божией Матери «Утоли Моя Печали», а в верхнем — престол в честь апостолов Петра и Павла.
В 1856–1868 годах под руководством архитектора Николая Ильича Козловского была проведена значительная реконструкция храма. Старые стены галерей были разобраны и возведены заново на новых местах, расширенные галереи окружили алтарь, включив ранее существовавшую крытую лестницу. Новые фасады были выполнены в стилистике петровского времени, а в новых помещениях устроены приделы: на южной стороне — в честь иконы Божией Матери «Утоли Моя Печали», на северной — в честь Владимирской иконы Божией Матери.
После революции 1917 года храм оставался действующим до 1934 года, когда был закрыт, и его здание использовалось под склад. В 1960 году проведена реставрация, в ходе которой завершение и шпиль колокольни были выполнены в «голландском стиле». С 1970 года здание передано в пользование ВНИИГеофизика, что привело к значительным изменениям внутренних помещений.
В 1992 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, и в 1994 году состоялось его малое освящение. В 2020-х годах началась реставрация храма, в ходе которой были обнаружены уникальные росписи XVIII века, в том числе изображение князя Александра Невского. Реставрация росписей завершена летом 2024 года.
