Церковь была возведена в 1771-1776 годах с разрешения императрицы Екатерины II. Проектировал храм, решенный в стиле раннего классицизма, архитектор Ю. Фельтен. Освещение церкви состоялось в 1780 году в присутствии князя Г. А. Потемкина-Таврического, во имя великомученицы Екатерины, небесной покровительницы Императрицы. Церковь стала центром армянской культуры в Петербурге: при ней была открыта типография и школа, действующая и ныне.
Принадлежавшие церковному приходу дома перед храмом (поставленные в линию с застройкой Невского проспекта) были построены в разное время: южный дом (справа на фото) по проекту Ю. Фельтена в 1771-1775 годах, а северный (слева на фото) в 1794-1798 годах по проекту Е. Т. Соколова.