Храм был возведён по велению императрицы Анны Иоанновны в период с 1731 по 1734 год архитектором М.Г. Земцовым, при участии И.Я. Бланка. Церковь решена в стиле Петровское барокко с использованием элементов древнерусской архитектуры. Храм имеет 47-метровую колокольню, шпиль которой водружён голландским мастером Г. ван Болесом. Ранее на этом месте находилась деревянная церковь во имя Архангела Михаила, один из старейших храмов Петербурга. Церковь Симеона и Анны являлась капитульным храмом ордена Святой Анны.
Участок земли вдоль Фонтанки вплоть до Невского проспекта был подарен Петром I своей трехлетней дочери Анне в честь именования ее царевной. В 1712–1714 годах по указаню Петра здесь была построена деревянная церковь во имя Архангела Михаила. Это было прямоугольное одноэтажное здание с башенкой и шпицем над алтарной частью. С течением времени деревянный храм обветшал и в 1731–1734 годах, по указанию императрицы Анна Иоанновны, здесь была выстроена существующая каменная церковь. Автором проекта храма был архитектор Михаил Григорьевич Земцов, участие в работах также принимал архитектор Иван Яковлевич Бланк.
В облике храма соединились традиционные приемы русского церковного зодчества с чертами западноевропейской архитектуры. Объем церкви составляет традиционный «восьмерик на четверике». С запада примыкает трапезная с 47-метровой колокольней над входом. Основной объём здания церкви завершён высоким световым барабаном, увенчанным гранёным куполом сложного рисунка, над которым расположена башенка (лантерна) увенчанная собственным небольшим куполом.
Четырёхъярусный резной иконостас храма по рисунку архитектора исполнил резчик К. Ган, лепку сделал Игнатий Росси, образа написали художники А. М. Матвеев и В. И. Василевский при участии В. А. Ерошевского, А. И. Захарова и А. М. Поспелова, работавших в придворной конторе.
Торжественное освящение церкви в присутствии Анны Иоанновны состоялось 27 января 1734 года. Главный алтарь был освящён во имя Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы, правый — во имя Архангела Михаила, а левый — Ефрема Сирина.
В 1735 году был учреждён орден Святой Анны и храм Симеона и Анны стал его орденской церковью (поэтому на фасаде храма размещён орден Св. Анны).
Здесь до 1829 года заседала Кавалерская дума ордена Святой Анны — собрание кавалеров ордена для рассмотрения представлений о награде этим орденом разных лиц. За истории ордена его низшая степень стала самой массовой наградой для боевых офицеров.
До 1802 года церковь была придворной. До постройки предшественника Казанского собора здесь проходили особо торжественные богослужения.
В 1803—1808 годах архитектором М.П. Выборовым к церкви были пристроены ризница и часовня.
В 1869—1872 годах церковь Симеона и Анны была расширена и обновлена архитектором Г.И. Винтергальтером, в частности над ризницей был устроен ещё один придел во имя иконы Божией Матери «Троеручицы» (ныне в Никольском морском соборе), освящённый 17 (29) октября 1871 года.
С 1868 года при храме действовало общество вспоможения бедным, содержавшее детский приют и богадельню.
От названия церкви происходят прежние наименования улицы Белинского и моста Белинского — Симеоновские.
Церковь действовала до январе 1938 года. После закрытия храма имущество и его убранство были утрачены, а помещение приспособлено под склад.
В 1951—1954 годах церковь была отреставрирована. В 1980-х годах здание приспособили под метеорологический музей.
В 1991 году здание храма было передано Санкт-Петербургской епархии. 1 января 1995 года церковь Симеона и Анны вновь была освящена.