В 1657 году на месте деревянной была построена каменная церковь с приделами Николая Чудотворца и Федора Стратилата. В 1762 году после коронации в Москве Екатерина II пожелала перестроить храм, освященный в честь своей святой покровительницы. За проект взялся лучший московский архитектор К.И. Бланк. Уже в 1767 году строительство было завершено. От храма 1657 года уцелела только трапезная, а увеличенный пристройками Никольский придел стал функционировать как «холодная» церковь. Бланк соединил зимнюю и летнюю церкви с помощью двухъярусной колокольни, нижний ярус которой стал притвором летнего Екатерининского храма.

Хоть императрица Екатерина II и не любила барокко, новопостроенная церковь во имя ее тезоименитой святой имеет барочные черты.

Как отмечается в книге «Памятники архитектуры Москвы»: «Екатерининская церковь является памятником редкого для Москвы позднего барокко, включающая элементы рококо.

Очевидна большая, чем у других московских мастеров, связь Бланка с петербургской архитектурой 1750 – 1760-х годов. Здание напоминает и некоторые парковые павильоны того времени». Бланк внес в церковную архитектуру элементы архитектуры светской.

Нижний ярус церкви – объединенные объемы трапезной, апсиды и притворов, а верхний – невысокий восьмерик с тяжеловесным куполом. То есть вертикальной композиции Бланком практически не предполагалось. Храм как будто прижимается к земле под собственным весом. Маленькая вытянутая глава над куполом лишь усиливает подобное впечатление. Фасады церкви украшены столбиками и арками, притворы скруглены и выделены парными колоннами.

Екатерина II пожертвовала храму богатую утварь и драгоценную ризу на храмовую икону великомученицы Екатерины с российским гербом с императорским вензелем. В церкви установили барочный иконостас и серебряные, со сквозными орнаментами, Царские врата, справа и слева от которых находились иконы, изображающие сцены из жизни святой Екатерины. Росписи храма в итальянском стиле выполнил известнейший художник своего времени Д.Г. Левицкий со своими учениками.

В 1769 году была сооружена ограда с решеткой, изготовленной изначально кремлевскими мастерами для Соборной площади Кремля. Некоторые прутья решетки венчали гербовые орлы. Чувствуется, что стилистические особенности ограды и храма соответствуют друг другу. Значит, Бланк и после завершения строительства следил за судьбой своего детища. Пилястровые столбы с императорскими коронами и массивные пилоны, украшенные белокаменными орлами, делают дошедшую до наших дней ограду Екатерининской церкви поистине уникальной. В 1920-х годах с прутьев решетки были спилены раздражавшие большевиков гербы Российской империи.

Во время пожара 1812 года «теплый» храм сгорел. В 1820-х годах архитектор Ф.М. Шестаков перестроил части церкви, утраченные в пожаре. В это же время достроили и ограду храма со стороны сегодняшнего Щетининского переулка. Ограда была точно стилизована Шестаковым под бланковскую. В 1870 – 1872 годах «теплая» церковь была полностью переделана архитектором Д.Н. Чичаговым. Ее заново освятили в честь Спаса Нерукотворного Образа с двумя приделами – Никольским и Александра Невского.

Таким образом, храм стал состоять из трех стоящих по одной линии частей: Спасской зимней церкви, летней Екатерининской и стройной колокольни, которая являлась композиционным центром всего строения. Единство композиции достигается за счет одинаковых куполов и пилястр обеих церквей. В зимнем храме все три престола с небольшими деревянными иконостасами были расположены в один ряд и соединялись друг с другом. В 1879 году на углу Погорельского и Щетининского переулков была построена кирпичная двухэтажная богадельня на месте деревянной середины XVIII века.

В 1922 году в Екатерининском храме было изъято около двухсот килограммов золота и серебра, в том числе все пожертвованные Екатериной II ризы и утварь. В 1931 году храм закрыли. При этом властями было разрешено взять только одну икону – Святой великомученицы Екатерины. Она была отдана в храм Воскресения Словущего в Монетчиках, а позже – в церковь Флора и Лавра на Зацепе. В этом храме след иконы теряется, и судьба ее до сих пор неизвестна. В 1930-х годах разобрали колокольню. Композиционная законченность и выразительность храма были потеряны, потому что внимание сместилось в одинаковой степени и на западную и на восточную его части. Также были повреждены главы обеих церквей и сломаны кресты на них. Роспись Д.Г. Левицкого и его учеников за исключением отдельных участков была утрачена.

После закрытия в церкви располагались жилые помещения и различные организации: Центральное проектно-конструкторское бюро приборостроения, НИИ стандартизации приборов и пр. В 1970-х проводилась реставрация, в результате которой установили новую главу с позолоченным крестом и отремонтировали церковную ограду. В обновленных помещениях сами реставраторы (Всероссийский художественно-научный реставрационный центр имени И.Э. Грабаря) и поместились. В 1992 году Екатерининский храм был возвращен верующим, однако до 1994 года в здании оставался ВХНРЦ, а службы приходилось проводить на ступенях летней церкви. В 1994 году храм был заново освящен в честь великомученицы Екатерины патриархом Алексием II при сослужении блаженнейшего Феодосия, архиепископа Вашингтонского, митрополита всей Америки и Канады. После этого патриарх зачитал указ о том, что Екатерининский храм становится подворьем Американской православной церкви в Москве.

Святыней храма является большой ларец с частицами святых мощей святителей Григория Богослова и Василия Великого, апостолов Андрея Первозванного, Марка, Петра и Павла, первомученика Стефана и других святых. Особо почитаемые иконы церкви – Святого князя Александра Невского, великомученицы Екатерины, святителя Тихона с частицами их мощей. Патриарх Тихон, которого в 1989 году канонизировали в лике святителей, при жизни каждый год в день памяти великомученицы Екатерины служил литургию в Екатерининской церкви.