Первое упоминание о деревянной церкви Вознесения Господня на этом месте относится к 1619 году. Однако в 1629 году этот храм сгорел, и на его месте в 1685–1689 годах была построена каменная церковь на средства царицы Натальи Кирилловны Нарышкиной, матери Петра I. Новый храм был освящен в честь Вознесения Господня, с приделами Владимирской иконы Божией Матери и Святителя Николая. Эта церковь получила название «Большое Вознесение», в отличие от более старой церкви «Малое Вознесение», расположенной на Никитской улице.
В конце XVIII века, в 1790 году, участок перешел в собственность князя Григория Александровича Потемкина. Он инициировал строительство нового, более крупного каменного храма. Проектирование и строительство велись с 1798 по 1848 годы. Архитекторы, принимавшие участие в проектировании, включают В.И. Баженова, М.Ф. Казакова, И.Е. Старова и Ф.М. Шестакова. Строительство началось с трапезной по проекту М.Ф. Казакова, которая была завершена в 1816 году после пожара 1812 года. В 1831 году в этой трапезной состоялось венчание Александра Сергеевича Пушкина и Натальи Николаевны Гончаровой.
Основная часть храма была построена в 1827–1848 годах. Архитектурный стиль здания — ампир. Храм представляет собой монументальный прямоугольный объем с боковыми портиками, в которых расположены боковые престолы. Четверик завершается цилиндрическим световым барабаном с полусферическим золоченым куполом. Со стороны площади примыкает полукруглая апсида. Внутренняя часть церкви обладает отличной акустикой.
В 1931 году храм был закрыт, а в 1937 году снесена колокольня XVII века. Здание использовалось для различных нужд, включая склад тары и лабораторию Научно-исследовательского института имени Кржижановского. В 1987–1990 годах проведена реставрация храма, после чего он был передан Московской патриархии. Богослужения возобновлены 23 сентября 1990 года.
В 2002–2004 годах с западной стороны храма была заново построена колокольня по проекту архитектора-реставратора Олега Игоревича Журина. Колокольня была освящена Патриархом Алексием II 20 мая 2004 года.
