Великокняжеская усыпальница была сооружена в 1896–1908 годах по проекту архитекторов Д. И. Гримма, А. И. Томишко и Л. Н. Бенуа. Здание возводилось в связи с нехваткой мест для захоронений членов императорской фамилии в Петропавловском соборе. Строительство началось в 1897 году, однако после смерти Гримма в 1898 году и Томишко в 1900 году руководство работами перешло к Л. Н. Бенуа, который внес изменения в первоначальный проект, включая увеличение высоты здания до 48 метров за счет применения параболических сводов.
Усыпальница предназначалась для погребения некоронованных членов Российского императорского дома, включая великих князей, князей императорской крови, а также представителей семьи герцогов Лейхтенбергских и светлейших князей Романовских. С 1908 по 1916 год в ней были захоронены 13 членов императорской фамилии, из которых восемь перенесены из Петропавловского собора. В 1992 году здесь был погребен князь Владимир Кириллович Романов, правнук императора Александра II, а в 1995 году перезахоронены его родители.
Архитектурное решение усыпальницы сочетает элементы позднего ренессанса и французского классицизма. Фасады украшены мозаичными иконами, созданными в 1907 году по оригиналам Н. Н. Харламова в мастерской В. А. Фролова. Внутреннее убранство включало иконостас с образами работы Н. А. Бруни и алтарный витраж «Воскресение Христово», выполненный в Дармштадте. В советский период интерьеры были утрачены, включая витраж, разрушенный во время блокады Ленинграда.
В 1908 году в усыпальнице был освящен придел во имя святого благоверного князя Александра Невского. Здание соединено с Петропавловским собором крытой галереей, в которой располагались Царские комнаты для отдыха императорской семьи. Перед западным фасадом установлена ограда, созданная по образцу решетки Летнего сада.
С 1954 года усыпальница входит в состав Государственного музея истории Санкт-Петербурга. В 2006 году был воссоздан запрестольный витраж по сохранившимся эскизам, а в 2008 году проведена реставрация фасадов и кровли. На 2025 год здание остается частью музейного комплекса Петропавловской крепости.