Храм строили с 1704 по 1723 годы по указу Петра I. Руководил строительством архитектор Иван Зарудный. По легенде, император лично участвовал в составлении чертежей. Колокольню достроили только в 1745-м.
Сегодня церковь, выполненная в стиле московского барокко, имеет статус объекта культурного наследия федерального значения.
Архитектурно храм выполнен по типу "восьмерик на четверике" и стоит на высоком подклете (нижнем полуподземном этаже). Нижний храм освящен в честь святого Николая Чудотворца, верхний - в честь апостолов Петра и Павла. С трех сторон церковь окружают открытые галереи. Фасады украшают профилированные белокаменные карнизы и пилястры, а завершает облик богато украшенная лепниной колокольня.
Комплексное восстановление фасадов и интерьеров началось в 2021 году. К 2026 году специалисты восстановили фасады в стиле московского барокко, воссоздали натуральные каменные и доломитовые полы, отреставрировали лепной декор, чугунные лестницы и ограды, вернули первоначальный вид произведениям церковной масляной живописи, которые долгое время оставались скрытыми под несколькими слоями краски.
После 1917 года здание продолжала занимать Московская духовная академия. В середине 1930-х годов церковь закрыли и разместили в ней склад, а в 1959 году передали Всесоюзному научно-исследовательскому институту геофизических методов разведки. В 1992 году храм вернули Русской православной церкви.