Храм Всех Святых на Мамаевом кургане был возведён в 2002–2005 годах в составе мемориального комплекса «Героям Сталинградской битвы». Идея строительства возникла в 1993 году, в 50-летие Сталинградской битвы, когда Патриарх Московский и всея Руси освятил место будущего храма у братской могилы. Первоначальный проект предполагал возведение церкви на южном склоне кургана, но в 1997 году локацию перенесли ближе к монументу «Родина-мать».
Строительство началось 14 октября 2000 года, в день Покрова Пресвятой Богородицы. Закладка первого камня состоялась 9 мая 2002 года. Храм построен по канонам древнерусской архитектуры XIV–XVI веков: пятиглавый четверик высотой 33 метра с центральным куполом, символизирующим Христа, и четырьмя малыми главами в честь евангелистов. Стены выполнены из белого кирпича, купола покрыты позолоченной медью. В 2004 году завершена кладка, а 14 октября того же года установлен главный крест.
Освящение храма состоялось 1 мая 2005 года, к 60-летию Победы в Великой Отечественной войне. В 2010 году завершена роспись интерьеров: фрески изображают русских святых и ключевые события военной истории, включая Сталинградскую битву. В 2013 году построена звонница с 12 колоколами. Храм не входит официально в состав мемориального ансамбля, но органично дополняет его.