Первое упоминание о деревне Виноградово относится к 1623 году, когда её владельцем был дворянин Гавриил Григорьевич Пушкин. В 1648 году по его заказу была возведена деревянная церковь, освящённая в честь Владимирской иконы Божией Матери, с приделом святителя Николая Чудотворца. К 1704 году храм уже значился как каменный.
В 1729 году усадьбу приобрёл князь Василий Долгоруков, а в 1730 году она перешла к княжне Марии Фёдоровне Вяземской. По её инициативе в храме был устроен новый придел в честь мученика Иоанна Воина, освящённый в 1731 году.
Во второй половине XVIII века усадьба перешла во владение генерал-прокурора Александра Ивановича Глебова. К этому времени существующий храм обветшал, и в 1772 году Глебов получил разрешение на строительство новой церкви. Строительство продолжалось до 1777 года. Авторство проекта приписывается архитекторам Василию Баженову или Матвею Казакову.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное оштукатуренное здание с белокаменным декором, выполненное в стиле классицизма. Композиция храма ступенчатая, состоящая из двусветного треугольного основания с закруглёнными углами и купольной ротонды с небольшой главкой на стройном барабане. Наружные элементы декора придают зданию пластическую выразительность и нарядность.
В советский период храм оставался действующим, несмотря на сложные времена для Русской Православной Церкви. С 1936 года настоятелем храма был схиархимандрит Иларион (Удодов), который с 1941 по 1945 год хранил в храме главу преподобного Сергия Радонежского.
В 2017 году были проведены реставрационные работы, включавшие восстановление фасадов, белокаменного декора, колонн, кровли и интерьера храма. Финансирование осуществлялось по программе предоставления субсидий из бюджета города Москвы.
