Первоначально на месте современного храма существовала деревянная церковь, известная с 1625 года. Каменный храм был построен в 1696 году на средства Евдокии Абрамовны Чириковой, жены окольничего, в память о её дочери Неониле. Строительство велось по обету и завершилось в 1697 году.
Архитектурно храм представляет собой典型ный образец московского барокко. Он выполнен в форме "восьмерик на четверике", с небольшой главкой на вершине. К основному объёму пристроены полукруглая апсида и трапезная, а также невысокая двухъярусная колокольня, слегка выступающая в Хохловский переулок.
В XVIII веке храм подвергался нескольким обновлениям. В 1750-х годах был установлен иконостас, покрытый серебром, с резьбой, изображающей складки тканей. В 1790 году храм был обновлён, а в начале XIX века была заново выстроена апсида.
После революции храм был закрыт и долгое время стоял разорённым и обезглавленным. В середине 1970-х годов началась реставрация. Основной объём здания, наличники и ажурный крест были восстановлены в 1983 году. В 1980 году помещения храма были заняты Институтом геофизики, а в 1990 году — Инженерно-информационным центром ВНИИПК техоргнефтегазстроя.
В 1992 году храм был возвращён Русской Православной Церкви и передан Братству святого Владимира. Были устроены новый иконостас, и в храме начали проводиться постоянные богослужения. В течение нескольких недель в храме пребывала мироточивая икона страстотерпца Николая II.
В 2010 году храм отметил своё четырехсотлетие. В честь этого события была организована фотовыставка и другие памятные мероприятия. 31 октября 2010 года Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил чин Великого освящения храма.
