Название «Успенский Вражек» связано с оврагом, ранее проходившим между современными Тверской и Большой Никитской улицами, по которому во время весенних паводков стекала вода в реку Неглинную. На берегу этого оврага с XVI века существовала деревянная церковь, давшая название местности. Первое документальное упоминание о храме датируется 1601 годом.
В 1629 году деревянная церковь сгорела в результате большого пожара, но была восстановлена к 1634 году. В 1647 году на её месте по инициативе Григория Горихвостова была построена новая каменная церковь с двумя приделами: во имя Николая Чудотворца и Иоанна Предтечи.
В 1775 году Никольский придел был разобран, и вместо него построили отдельную каменную церковь с тем же посвящением. В 1857–1860 годах храм был существенно перестроен на средства купца Сергея Афанасьевича Живаго. Архитектором проекта выступил А.С. Никитин. В ходе реконструкции здание приобрело черты эклектики с элементами русского стиля. Верхний храм стал трёхпрестольным с главным престолом в честь Успения Пресвятой Богородицы и приделами, посвящёнными преподобному Сергию Радонежскому и Усекновению главы Иоанна Предтечи. Здание венчает небольшая глава, а над крыльцом высится шатровая колокольня.
В 1924 году храм был закрыт, и в его здании разместился Московский областной исторический архив. После ремонта 1979 года помещения были переоборудованы под междугородную телефонную станцию, при этом в алтарной части находилась касса, а окошко для обслуживания клиентов располагалось на месте Царских врат.
В 1992 году было принято постановление правительства Москвы о возвращении храма Русской Православной Церкви. В 1996 году общине была передана крипта храма, освящённая во имя Николая Чудотворца, где в Фомино воскресенье состоялась первая литургия. В 1999 году был передан верхний храм во имя Успения Пресвятой Богородицы. С этого времени началось постепенное восстановление храма и возобновление богослужений.
В настоящее время при храме действует детская воскресная школа, проводятся евангельские чтения и семинары на тему «Христианство и литература». Приходская группа «Милосердие» организует горячее питание для бездомных и нуждающихся, а группа помощи детям-сиротам оказывает поддержку больным в интернатах.
