Храм был возведен в 1811–1823 годах по проекту профессора Императорской академии художеств Андрея Михайлова. В 1863-м со стороны Кадетской линии была возведена каменная колокольня по проекту академика Федора Нестерова. По обе стороны от колокольни были сооружены одноэтажные павильоны — сторожка и часовня, где находился образ святой великомученицы Екатерины. В настоящее время церковь реставрируется, регулярные богослужения проходят только в помещении под колокольней.
На месте, занимаемом церковью святой великомученицы Екатерины, в 1745 году располагалась «полотняная» (переносная) церковь Живоначальной Троицы Кабардинского полка. Затем её сменила деревянная Никольская церковь, при астраханском драгунском полке. Между 1745 и 1773 годами она получила новое название – Церковь святой великомученицы Екатерины. Некоторое время церковью пользовался Кексгольмский полк.
В 1782 году деревянная Екатерининская церковь становится «оспенною», такие церкви по указу Святого Синода от 1775 года назначались для заболевших оспою или корью. Священники оспенных церквей могли входить только в те дома, где были люди, заражённые этими болезнями, а жители этих домов могли обращаться с требами только к священникам оспенной церкви.
Из архивных данных известно, что деревянная церковь сгорела в день Рождества Христова в 1809 году. Из всего имущества сохранилась только храмовая икона святой великомученицы Екатерины. После этого события начался сбор средств для возведения нового храма в этом же месте.
Строителями нового храма были избраны купцы И. Водовозов, П. Новиков и Д. Голубин. План храма составлял профессор Императорской Академии Художеств А. А. Михайлов, один из участников постройки Исаакиевского Собора. Можно сказать, что храм во имя святой великомученицы Екатерины стал венцом его творчества.
К 1823 году постройка была завершена и храм был освящён. В 1861—1863 годах с западной стороны была возведена каменная колокольня по проекту академика Ф. И. Нестерова. Из-за её постройки был разобран портик храма, а сам храм соединен с колокольней. Таким образом колокольня над западным фасадом нарушила первоначальную композицию. Вместе с колокольнею было пристроено здание для сторожей и новая каменная часовня, где находился образ Святой великомученицы Екатерины, спасённый при пожаре старой церкви. В дальнейшем облик храма почти не менялся.
В плане храм имеет форму четырёхконечного креста, увенчан большим куполом на высоком барабане, декорированном 24-мя колоннами коринфского ордера. На куполе возвышается фигура Ангела на шаре, держащего медный крест. Первоначально крест и шар были позолоченными, купол храма обит белым железом, а кровля окрашена зелёной масляной краской. Стены интерьера были расписаны на Евангельские сюжеты, а своды выполнены в виде розеток. На северной стене находилась композиция «Поклонение волхвов», на южной – «Крещение Господне», на западной – «Вход в Иерусалим», в куполе была изображена Богородица, на столбах – четыре Евангелиста. Пол во всём храме был деревянный окрашенный жёлтой краской в алтарях, на амвонах и клиросах.
В церкви было три придела и три престола:
- главный, освящённый в честь Святого Иоанна Крестителя,
- второй — в честь Святого Иоанна Богослова
- и третий – в честь Святой Великомученицы Екатерины.
Над главным престолом на четырёх тумбах, украшенных позолоченной резьбой, была устроена сень из балдахина, стоявшего над гробом Императрицы Елизаветы Алексеевны во время следования её праха из Беляева в Чесьму.
В 1907 году святые Престолы и жертвенники во всех трёх алтарях были обрамлены белым каррарским мрамором с инкрустациями.
За святым престолом в главном алтаре находилась икона Воскресения Христова, работы К. П. Брюллова, в золотой раме.
Скульптурная работа по оформлению иконостаса производилась профессором В. И. Демут-Малиновским. Иконы в большом иконостасе принадлежали кистям знаменитых художников Ф. П. Брюлло и академику Г. К. Угрюмову.
Приход церкви состоял преимущественно из крестьян, рабочих с биржи и судов, а для биржевых артельщиков – церковь была родной. Артели участвовали в создании и оформлении храма. Каждая артель имела свой собственный образ, о котором заботилась, украшала, перед которым молилась и теплила лампады.
Каждый год в первый Спас к стрелке Васильевского острова от храма шёл крестный ход с водосвятием и молебнами, который останавливался у двух приписанных к храму часовен: во Имя Нерукотворного Спаса у таможни, и у чугунной, близ Тучкова моста, которую построили в 1900 году торговцы сеном в память Александра III.
К храму также была приписана и домовая церковь в Повивально-гинекологическом институте.
В 1876 году при церкви было организовано Приходское Благотворительное Общество, в котором состоял знаменитый петербургский купец Елисеев. Члены общества помогали бедным прихожанам, собирая ежемесячные пособия для неимущих, а в 1888 году была открыта богодельня для безродных стариц.
С 1909 года настоятелем церкви был известный богослов и профессор Духовной академии протоиерей Сергий Соллертинский, которого перед революцией сменил находящийся в духовном сане протоиерея Леонид Тихомиров, автор книги по истории храма и один из инициаторов создания РОЛМ — Русского общества любителей мироведения.
После 1917 года храм был разграблен, а в декабре 1935 года закрыт. С 1936 по 1953 год здание храма почти не использовалось в хозяйственных целях и не эксплуатировалось, во время Великой Отечественной войны, в июне 1942 года, в часовню при церкви попали снаряды.
Долгое время здание церкви святой великомученицы Екатерины было занято лабораторией Гидрологического института, а в 1953 году здание передали Всероссийскому нефтяному научно-исследовательскому геологоразведочному институту (ВНИГРИ) под лабораторный корпус. В капитальные стены врезали бетонные перекрытия, сделав церковь четырехэтажной. Была реконструирована под трансформаторную подстанцию разрушенная в войну часовня.
В марте 1996 года часть здания была возвращена верующим.
1 декабря 2000 года на колокольню поднят позолоченный крест.
7 декабря 2004 года впервые был отслужен молебен святой великомученице Екатерине в освобожденной части церкви под куполом.
В настоящее время регулярные богослужения проходят только в помещении под колокольней. Ведутся работы по реставрации храма.
