Построен на месте, издавна использовавшемся для православных богослужений. Деревянная церковь «Вознесения Господня, что в Сторожах», впервые упоминающаяся в летописях XV века, сгорела в 1629 году. Возможно, название «в сторожах» связано с предпольным деревянным укреплением на опасном западном направлении — острогом
В 1685—1689 годах царицей Натальей Кирилловной Нарышкиной, чей двор находился неподалёку, на месте нынешнего Столового переулка, был построен каменный Вознесенский храм «о пяти каменных главах» с приделами Владимирской иконы Божией Матери и Святителя Николая — чуть западнее ныне стоящего. В XVIII веке участок перешёл в собственность князя Г. А. Потёмкина. Есть версия, что в Вознесенском храме в 1774 году состоялся тайный брак Г. А. Потёмкина с Екатериной Великой. Во всяком случае, именно он заказал в 1790 году, незадолго до своей смерти, строительство новой, более крупной каменной церкви
Кому принадлежал первоначальный эскиз основного здания, доподлинно неизвестно: называются имена В. И. Баженова, М. Ф. Казакова, И. Е. Старова. Строительство началось в 1798 году с трапезной по проекту М. Ф. Казакова. Трапезная имеет примыкающую галерею и два придела, в которых ныне расположены престолы иконы Божией Матери «Всех Скорбящих Радости» и Николая Чудотворца. Во время пожара 1812 года недостроенное здание выгорело и было завершено в 1816 году. В этой трапезной 18 февраля (2 марта) 1831 состоялось венчание поэта Александра Пушкина с Натальей Гончаровой.
К 1831 году старая церковь была разобрана, за исключением колокольни. Строительство центральной части храма началось в 1827 году архитектором Ф. М. Шестаковым (1787—1836). В 1830 году О. И. Бове переработал проект, дополнив его ионическими портиками на северном и южном фасадах, которые усиливают элементы классицизма в здании. Иконостасы выполнены в 1840 году архитектором М. Д. Быковским. Окончательно строительство было закончено только в 1848 году А. Г. Григорьевым.
Здание в целом выполнено в стиле ампир. Основой является монументальный прямоугольный объём (четверик), украшенный боковыми портиками, в которых находятся боковые престолы: Сретения иконы Владимирской Божией Матери и Усекновения главы Иоанна Предтечи. Четверик завершается цилиндрическим световым барабаном с полусферическим золоченым куполом. Со стороны площади примыкает полукруглая апсида. Внутренняя часть церкви обладала прекрасной акустикой. Ныне здание является архитектурной доминантой площади.
Прихожанами церкви были многие представители интеллигенции, дворянства и купечества, жившие рядом. В ней в 1863 году отпевали М. С. Щепкина, в 1928 году — М. Н. Ермолову.
13 ноября 1917 г. в церкви отпевали юнкеров и офицеров, героев погибших в боях с незаконными вооружёнными формированиями в Москве.
1922 г. - советские власти разграбили церковное имущество
5 апреля 1925 года в храме совершил своё последнее богослужение Патриарх Московский и всея России Тихон; за богослужением был поставлен во епископа Сергий (Никольский)
В 1931 году церковь была закрыта большевиками.
В 1937 году снесена колокольня XVII века. Хотя здание было оставлено как памятник пушкинской эпохи, многое из убранства церкви было утрачено.
До 1987 года в помещении церкви размещались склад тары и лаборатория Научно-исследовательского института им. Кржижановского, планировалось открыть концертный зал. В 1987—1990 годах прошла реставрация храма, после чего он был передан Московской Патриархии.
Богослужения возобновлены 23 сентября 1990 года; в 1999 году, на праздник Вознесения Господня, храм был освящен архиерейским чином
2002—2004 гг. - с западной стороны храма была заново построена колокольня (архитектор Олег Журин), которая была освящена Патриархом Алексием II 20 мая 2004 года. Строительство колокольни — пример «воссоздания» никогда не существовавшего памятника: проект был разработан О. И. Журиным с использованием проектов архитекторов конца XVIII века и 30-х годов XIX века.