Первые упоминания о деревянной церкви Вознесения Господня «в Сторожах» на этом месте относятся к 1619 году. Название связано с находившимся здесь предпольным укреплением — острогом, где несли службу сторожа. В 1629 году храм сгорел, но был восстановлен. В 1685–1689 годах царица Наталья Кирилловна Нарышкина построила каменный пятиглавый храм с приделами Владимирской иконы Божией Матери и Николая Чудотворца.
В 1784 году участок перешел к князю Г.А. Потёмкину, который планировал возвести новый храм как собор Преображенского полка. Проект разрабатывали В.И. Баженов и М.Ф. Казаков. Строительство началось в 1798 году, но после смерти Потёмкина и войны 1812 года работы затянулись. В 1816 году завершили трапезную, где в 1831 году состоялось венчание А.С. Пушкина с Н.Н. Гончаровой.
Основное здание храма возводилось по проекту Ф.М. Шестакова с 1827 года, доработанному О.И. Бове (добавлены ионические портики). Строительство завершилось в 1848 году под руководством А.Г. Григорьева. Иконостасы выполнены М.Д. Быковским в 1840 году. Храм освятил митрополит Филарет (Дроздов).
В 1920-х годах в храме отпевали юнкеров (1917), М.Н. Ермолову (1928), здесь же Патриарх Тихон совершил последнюю литургию (1925). В 1931 году храм закрыли, колокольню XVII века разрушили в 1937 году. Здание использовалось как склад, гараж и лаборатория. В 1990 году храм возвращен Русской Православной Церкви, в 2004 году воссоздана колокольня по проекту О.И. Журина.
