Здание церкви построено в псевдоготическом стиле по проекту известного архитектора Юрия Матвеевича Фельтена (по его же проекту был построен Чесменский дворец), в ознаменование победы русского флота над турецким в Чесменской бухте Эгейского моря в 1770 году. По преданию, на месте где стоит церковь, императрица получила от курьера известие о победе в Чесменском бою. Вместе с Чесменским дворцом церковь составляла некогда своеобразный ансамбль, обращённый к бывшему Царскосельскому тракту.
Екатерина II часто посещала этот храм, для неё здесь было устроено царское место. Сама церковь была приписана к придворному ведомству.
Позднее при входе в церковь по желанию Екатерины II была помещена мраморная доска: «Сей храм сооружен во имя святого пророка предтечи и крестителя господня Иоанна в память победы над турецким флотом, одержанной при Чесме 1770 года в день его рождества. Заложен в 15-е лето царствования Екатерины II в присутствии короля шведского Густава III под именем графа Готландского и освящен 1780 июня 24 дня в присутствии его величества римского императора Иосифа II под именем графа Фалькенштейна».
У Чесменской церкви существовали две усадебные реплики, построенные вскоре после её появления. Первая — это Спасо-Преображенская церковь в селе Красное под Старицей в Тверской губернии, возведенная между 1785 (этим годом датируется храмозданная грамота) и 1790 (дата освящения) годах в усадьбе директора придворной Певческой капеллы М. Ф. Полторацкого (1727-1795). Храм сохранился до наших дней, пережил запустение советского времени и постепенно восстанавливается. Он достаточно широко известен, представлен на страницах популярных путеводителей и научной литературы. Вторая церковь была построена Фаворитом Екатерины II в селе Посадниково Псковской губернии в 1781 году (разобрана в 1920-е годы).
В 1802 году храм был передан в ведение Гоф-интендантской конторы. В связи с тем, что Чесменская церковь была холодной и не отапливаемой, 11 (23) декабря 1811 года в Чесменском дворце был освящён зимний храм Рождества Христова.
С передачей дворца Николаевской военной богадельне, храм был передан в военное ведомство.
Вблизи церкви расположено Чесменское воинское кладбище. Изначально здесь хоронили ветеранов русской армии, проживавших в Военной Чесменской богадельне, которая размещалась в бывшем Чесменском дворце. К середине 20 века старые захоронения были утрачены и здесь устроили кладбище защитников Ленинграда.
В 1919 году Чесменская церковь была закрыта. Здание находилось на территории первого лагеря принудительных работ в Советской России.
В 1924 году с колокольни были сняты колокола и отправлены на переплавку. Вместо креста на куполе были установлены скульптурные изображения наковальни, клещей и молота.
После закрытия лагеря в 1924 году, с 1925 по 1930 год в Чесменской церкви находился архив Главнауки, а с 1930 года — столярные мастерские Автодорожного института.
В 1930 году в храме произошёл пожар, в котором погибли интерьеры церкви, в том числе иконостас.
В 1941 году здание церкви было передано под склад Авиационно-приборостроительному институту. В годы Великой Отечественной войны храм сильно пострадал. В 1947 году была произведена консервация здания церкви, позднее было принято решение восстановить её как памятник архитектуры.
В 1960-е годы в Чесменской церкви начались крупные реставрационные работы по проекту архитектора А. П. Куликова. Были отремонтированы купола, укреплена кирпичная кладка, восстановлены утраченные элементы; отреставрированы интерьеры. Колокола были отлиты на заводе «Монументскульптура».
В декабре 1977 года здесь был открыт музей «Чесменская победа» — филиал Военно-морского музея.
В 1994 году здание церкви передано Санкт-Петербургской епархии в бессрочное пользование.
В 1996 году были начаты работы по восстановлению церкви, а в ноябре 1998 года был освящён иконостас, воссозданный по чертежам, найденным в Российском государственном военно-историческом архиве.
