В XVI веке на месте современного храма находилось село Копытовка, которое неоднократно меняло владельцев. В 1621 году царь Михаил Фёдорович пожаловал эти земли князю Дмитрию Трубецкому за заслуги в освобождении Москвы от польских интервентов. В 1646–1648 годах вдова князя Анна Васильевна Трубецкая построила в селе каменную церковь во имя святого Алексия, человека Божия. С этого времени поселение стало именоваться Алексеевским.
В 1673 году царь Алексей Михайлович, часто посещавший эти места во время охоты и паломничеств в Троице-Сергиев монастырь, повелел заложить новую церковь в честь чтимой на Руси Тихвинской иконы Божией Матери. Строительство храма было завершено в 1680 году, уже после смерти царя. Торжественное освящение состоялось с участием патриарха Иоакима и царя Фёдора Алексеевича, который преподнёс храму список Тихвинской иконы Божией Матери византийского письма.
Архитектурно храм представляет собой пятиглавый храм в стиле «русское узорочье» на высоком подклете, способный вместить до трёх тысяч человек. Главный четырёхугольный объём украшен тремя рядами кокошников, на которых возвышаются пять глав с куполами. К нижней части примыкает обходная галерея, с западной стороны храм соединён с трапезной и двухъярусной колокольней. В интерьере сохранились настенные росписи первой половины XIX века, предположительно выполненные артелью художников под руководством Джованни Скотти.
В 1824 году обветшавшую церковь святого Алексия разобрали, а из её кирпичей возвели колокольню Тихвинского храма. В середине XIX века на средства купеческой семьи Константиновых в трапезной части были устроены приделы преподобного Сергия Радонежского и святителя Николая Чудотворца. В 1884 году добавлен придел во имя святого Алексия, человека Божия, а в 1917 году — мученика Трифона.
После Октябрьской революции храм продолжал функционировать. В 1922 году из него изъяли церковные ценности, однако богослужения не прекращались. В подклете был устроен нижний храм (придел) Воскресения Словущего, который впоследствии использовался под различные нужды, включая размещение плодоовощной базы и мастерских предприятия «Софрино».
В 1954 году в храме провели капитальный ремонт, а в 1974 году — реставрацию интерьера, в ходе которой были раскрыты настенные росписи XIX века. В настоящее время храм является действующим и относится к Троицкому благочинию Московской епархии. При нём функционируют различные приходские службы и образовательные программы.
