Первое упоминание о приходе храма относится к 1625 году. Согласно летописным данным, основание первого деревянного храма на этом месте связано с благословением великого князя Василия III на великое княжение, полученным им в день памяти святителя Мартина, 14 апреля 1502 года.
В 1791 году, по благословению митрополита Московского Платона, началось строительство нового каменного храма на средства купца первой гильдии Василия Яковлевича Жигарева, городского головы Москвы в 1795–1798 годах. Проект был разработан архитектором Родионом Казаковым, известным своими работами в стиле классицизм.
Строительство храма было завершено в 1798 году. В 1801 году итальянский художник Антонио Клаудо выполнил росписи интерьера в итальянском стиле, которые сохранились до нашего времени. Освящение храма состоялось в 1806 году, совершил его митрополит Платон.
Архитектурно здание представляет собой латинский крест с центральной ротондой и четырьмя угловыми куполами. Фасады украшены порталами с коринфскими колоннами. Колокольня, расположенная с западной стороны, до 1820-х годов была отдельным строением и достигала высоты около 60 метров.
Во время Отечественной войны 1812 года храм сильно пострадал от пожара, однако благодаря усилиям священника Феодора Алексеева многие ценности были сохранены. После восстановления, в 1813 году, храм был повторно освящен.
В XIX веке храм использовался преимущественно как летний, и только в 1904 году на средства купца Сергея Андреевича Александрова было установлено отопление.
После революции 1917 года храм подвергся репрессиям: утратил часть утвари и был закрыт в 1931 году. Здание использовалось для различных нужд, включая хранение фондов Книжной палаты СССР и вычислительный центр одного из научно-исследовательских институтов.
В 1990 году храм был возвращен Русской Православной Церкви, а в 1996 году завершился процесс передачи. 28 мая 1998 года патриарх Алексий II совершил великое освящение храма.
