Первые сведения о деревянной церкви св. вмч. Екатерины на Всполье (Всполье на языке Москвы тех времен означало пахотные земли, расположенные за фактической границей городского поселения.) относятся к ХVI в.: она была поставлена по приказу первой жены Ивана Грозного, царицы Анастасии Романовны.
В литературе также встречаются сведения, что церковь поставлена на месте сражения русских и польско-литовских войск, в котором русские одержали победу.
С 1625 г. в церкви значится придел Феодора Студита, с 1636 г. — придел св. Николая. С 1657 г. церковь по документам числится каменной. В 1696 г. были осуществлены работы по обновлению церкви.
Существующий же храм в стиле барокко построен в 1766—1775 по проекту Карла Бланка. Вероятно, что постройка храма была заказана лично Екатериной II во время её коронации в 1762. Бланк построил новое здание рядом со старым, объединив два храма центральным объёмом с колокольней. Старая трапезная была сохранена. Феодоровский придел разобрали, а Никольский придел в трапезной был сохранен и долгое время функционировал как зимний храм. Оба храма — старый и новый — были соединены посередине двухъярусной колокольней, нижний ярус которой служил притвором основного, летнего Екатерининского храма. Таким образом, Бланк возродил традиционную для русского зодчества композицию из двух храмов — «теплого» и «холодного» — с колокольней между ними, сблизив строения. Храм строился на казенные средства. Храмовую икону св. Екатерины украшала пожертвованная императрицей драгоценная риза с царским вензелем. Все иконы в иконостасе были написаны Д.Г.Левицким совместно с В.И.Василевским. К сожалению, они не сохранились.
После пожара 1812 г.
Теплая церковь, сгоревшая в 1812 г., была полностью перестроена лишь в 1870-1872 гг. по проекту П.П.Петрова (в литературе также называют Д.Н.Чичагова). В новом здании с главным престолом Спаса Нерукотворного Образа разместились приделы св. Николая и блгв. кн. Александра Невского. Массивный объем Спасской западной церкви был оформлен пилястрами, воспроизводящими пилястры основного Екатерининского храма. Купол ее также напоминал купол основной церкви. Тонкая и высокая четырехъярусная колокольня стала центром композиции (переделана в 1820-х).
В 1820-х гг. Ф.М.Шестаков, ремонтируя ансамбль после пожара 1812 г., поставил на углу одноэтажную каменную постройку (сторожка или свечная лавка). С западной стороны была построена ограда, выполненная в формах, что и ранняя.
В 1879-1880 гг. на территории церкви архитектор Д. И. Певницкий построил богадельню (угловую сторожку), которая была оформлена разномасштабными арочными нишами; часть их, возможно, была открытой.
После революции
В 1931 г. храм был закрыт. Храмовая икона св. Екатерины была перенесена в церковь Воскресения в Монетчиках, после сноса церкви Воскресения — в храм Флора и Лавра на Зацепе. Последний тоже был закрыт; судьба иконы неизвестна.
После закрытия храма св. Екатерины колокольня была разрушена до первого яруса, главы были разобраны. Спасский храм был отдан под жилье, Екатерининский — под контору. Колокольня разрушена в 1930-е. Здание Спасской тёплой церкви лишено купола и использовалось в промышленных целях. Впоследствии здание церкви заняло Центральное проектно-конструкторское бюро приборостроения.
В 1970—1983 гг. летняя Екатерининская церковь внешне восстановлена реставрационными мастерскими Института Грабаря.
В 1992 г. храм был передан православной общине.
7 декабря 1994 г. передан подворью Православной Церкви в Америке.
Первая Литургия в храме была совершена на Благовещение 1995 г.
11 июня 1999 г. состоялось великое освящение храма Патриархом Алексием II при сослужении митрополита Феодосия.