У XVI ст. в белільной слободі, влаштованої царицею Анастасією Романівною, першою дружиною Івана Грозного, була поставлена дерев'яна церква в честь св. великомучениці. Катерини.
З 1625 року в церкві значиться приділ св. Феодора Студита, з 1636 року - приділ свт. Миколи Чудотворця. У 1657 р церква в документах значиться кам'яної. У 1696 р храм був оновлений. У 1762 р в Москву приїхала на коронацію Катерина II, після коронації государиня пробула в Москві цілий рік. Вважається, що храм на честь свого святого побажала перебудувати сама государиня; проект вона замовила архітектору К.І. Бланку. Церква в стилі бароко була побудована в 1766-75 рр. за рахунок державних коштів. Храмову ікону св. великомучениці. Катерини прикрашала пожертвувана імператрицею дорогоцінна риза з царським вензелем.
Всі ікони в іконостасі були написані Д.Г. Левицьким спільно з В.І. Василевським.
В ході будівництва була збережена стара трапезна. Феодорівський приділ розібрали, Нікольський боковий вівтар в трапезній був збережений і довгий час функціонував як зимовий храм. Обидва храми - старий і новий - були з'єднані посередині двох'ярусної дзвіницею, нижній ярус якої служив притвором основного, річного Катерининського храму. Таким чином, К.І. Бланк відродив традиційну для російської архітектури композицію з двох храмів - літнього та зимового - з дзвіницею між ними.
У 1769 р була встановлена огорожа, для неї були використані решітки, виготовлені в 1731 р для Соборній площі в Кремлі.
У 1920-24 рр. в храмі на престольне свято служив Патріарх Московський і всієї Русі Тихон.
У 1931 р церква була закрита. Храмова ікона св. великомучениці. Катерини була перенесена в церкву Воскресіння в монетники, після знесення церкви Воскресіння - в храм свв. мчч. Флора і Лавра на зачепи. Останній також був закритий; доля ікони невідома.
Після закриття храму св. великомучениці. Катерини його дзвіниця була зруйнована до першого ярусу, глави були розібрані. Згодом будівлю церкви зайняло Центральне проектно-конструкторське бюро приладобудування. У 1970-х рр. почалася реставрація храму. До 1983 р Катерининський храм був відреставрований зовні, була встановлена глава з хрестом.
Літній храм освячений на честь св. великомучениці. Катерини, головний престол зимового храму - на честь Спаса Нерукотворного, прибудови - на честь свт. Миколи Чудотворця та блгв. кн. Олександра Невського.
Ікона св. вмч. Пантелеймона з часткою мощей. Частка мощей свт. Іоанна, Шанхайського і Сан-Франциського, чудотворця.
У недільні дні і великих святах - Літургія о 10.00 (сповідь о 9.00), напередодні - всеношна о 17.00, в малі свята - утреня і Літургія о 9.00.
По середах (крім Великого поста і переддень великих свят) - молебень свт. Іоанна Шанхайського о 17.00, акафіст св. великомучениці. Катерині о 18.00.
Богослужіння відбуваються на церковнослов'янською та англійською мовами.
