Построен в 1555-61 на южной стороне Красной площади около Спасских ворот Кремля, над спуском к Москва-реке зодчими Бармой и Постником Яковлевым (но некоторым предположениям — одно и то же лицо) как храм-памятник в ознаменование победы над Казанским ханством (1552) и во славу павших русских воинов, на месте, где по совету митрополита Макария и повелению царя Ивана Грозного первоначальное 1552, в память казанских побед, coopужён каменный Троицкий и 7 деревянных храмов. Название «на рву» связано с тем, что через всю площадь, вдоль кремлевской стены, шел глубокий и широкий ров (засыпан в 1813).

Сначала строителям было наказано построить центральный храм Покрова с 8 приделами (включая находившийся на востоке Троицкий храм) во имя тех святых, память которых отмечалась в дни решающих боев за Казань. Так, 30.VIII., в день святых Патриархов Константинопольских Павла, Александра и Иоанна (с.-в. придел), был разгромлен большой отряд конницы князя Япанчи (в XVIII в. придел переосвещён во имя святителя Иоанна Милостивого). 30.IX, в день памяти равноапостольного Григория Армянского (с.-з. придел), произошло взятие Арской башни и крепостной стены города. 1.Х, в день Покрова Пресвятой Богородицы (центральный престол), начался решительный штурм. 2.Х., в день святых Киприана и Иустины (сев. придел), — произошло падение Казани (позднее придел переосвещён во имя святых мучеников Адриана и Наталии). Приделы были названы также во имя тех святых, которые имели определенное отношение к царствующей династии. Предположительно, что посвящение ю.-з. придела преподобному Варлааму Хутынскому связано с почитанием памяти Великого князя Василия III, который, приняв перед смертью постриг, стал носить в монашестве имя Варлаам. По случаю чудотворений от Великорецкой иконы святителя Николая Чудотворца, привезённой для реставрации из Вятки в Москву, юж. придел был назван во имя святителя Николая Чудотворца. Один из приделов — в честь святителя Александра Свирского.

В процессе строительства зодчие отступили от первоначального наказа и ввели 9-й, зап. придел, который был посвящен Входу Господню в Иерусалим, ассоциировавшемуся с торжественным возвращением русского войска в Москву после казанского похода под предводительством Ивана Грозного. В 1552 у стен Троицкого храма был похоронен известный юродивый святой Василий Блаженный, над гробницей которого в 1588 к с.-в. углу храма пристроили 10-й придел, освещён в его честь и давший всему собору второе, более распространенное, имя. Симметрично ему в 1672 над могилой блаженного святого Иоанна Московского (Большого колпака, похоронен в 1589) с ю.-в. пристр. 11-й придел — Ризоположения (с 1680 — Рождества Пресвятой Богородицы, в 1916 переосвящён во имя святого Иоанна Блаженного).

В 1670—90 вместо звонницы построена шатровая колокольня. В конце XVII в. форма куполов изменена со шлемовидной на узорную луковичную, произведена многоцветная раскраска стен (XVII—XIX вв.). В конце XVI в. собор был самым высоким зданием Москвы (св. 60 м).

Неоднократно подвергался пожарам, восстанавливался. Капитально ремонтировался в 1680-х, 1761 —84 и в 1812 (после разграбления наполеоновскими войсками). Реставрировался в 1890-х, 1920-х, 1940-х, 1954-55.

На общем основании — высоком подклете — находятся 9 самостоятельных столпообразных зданий храмов — приделов собора, соединенных между собой внутренними сводчатыми переходами, окружающими центральный храм, и обходной галереей (до 1690 — открытая терраса-гульбище). Между 4 осевыми восьмигранными, ярусными по форме, приделами (Святой Троицы, святителя Николая Чудотворца, Входа Господня в Иерусалим, святых Киприана и Иустины) расположены 4 меньшие по высоте (Трех Патриархов Константинопольских, преподобных Александра Свирского, Варлаама Хутынского, священномученика Григория еп., просветителя Великой Армении). Те и другие увенчаны луковичными главами и сгруппированы крес тообразно вокруг возвышающегося над ними 9-го центрального ярусного башенного храма Покрова Божией Матери, завершенного шатром с маленькой главкой. Нижний четверик Покровского храма (высота от пола 46 м, внутренняя площадь всего 64 кв. м) переходит в восьмерик, его верхний, звездчатый ярус с тремя рядами кокошников заканчивается световым шатром. Приделы расположены (в плане) по углам двух квадратов, смещённых по отношению друг к другу на 45°, образуя как бы восьмиконечную звезду, которая повторена в основании центральной башни храма Покрова. Ассиметричные пристройки, шатры над крыльцами, затейливая декоративная обработка глав, орнаментальная роспись снаружи и внутри храма усиливают его живописность. В шатре и восьмерике центрального столпа сохранилась орнаментальная роспись XVI в., выполненная черной и красной красками по светлому фону (подобная роспись в шатре Троицкого придела). Под шатром раскрыты фрагменты фресковой надписи XVI в. о завершении строительства Покровского храма в 1561. Внутренние переходы и галереи расписаны в XVII в. пышным растительным орнаментом, включающим изображения цветов и трав.

Зап. участок внутренней галереи сохранил роспись XVI в., имитирующую кирпичную кладку. В XVIII—XIX вв. стены собора покрыты масляной живописью (при реставрации эта, невысокого качества роспись, удаляется; фрагменты живописи XVIII в. в центральном храме сохранены).

Иконостасы приделов перенесены из других храмов (как правило, из разобранных в XVIII в. 13 храмов, стоявших вдоль рва на Красной площади, на месте публичных казней при Иване Грозном, «на крови») или установлены не сразу после окончания строительства (среди них старые тябловые иконостасы и новые — XVIII—XIX вв.). Иконы в иконостасах — XV—XVII вв. К числу лучших образцов иконописи принадлежит икона «Вход Господень в Иерусалим» XVI в. во Входоиерусалимском приделе.

С зап. стороны, перед зданием собора, установлена находившаяся прежде перед фасадом ГУМа скульптурная группа — памятник К. Минину и Д. Пожарскому (скульптор И. П. Мартос, 1818).

В 1919 советская власть запретила употребление в церковной службе тропаря мученику Гавриилу, мощи которого почивали в соборе.

В том же году расстрелян настоятель собора протоиерей Иоанн Восторгов (причислен к лику святых в сонме Новомучеников Российских).

В 1920-х собор находился в руках обновленцев. В 1922 власти конфисковали свыше 1 фунта золотых, более 24 пудов серебряных церковных украшений, бриллианты, алмазную звезду с бриллиантами. В 1923 в части его помещений разместился музей. В 1929 закрыт, колокола сняты и переплавлены.

Стал филиалом Государственного исторического музея.

В 30-е высшими партийными властями (Сталин и др.) всерьез рассматривался вопрос о сносе собора, «мешавшего автомобильному движению и движению демонстрации трудящихся при выходе с Красной площади», но храм уцелел. Огромную роль в его сохранении сыграл арх. П. Д. Барановский, пригрозив властям в случае сноса покончить с собой (за что был арестован).

Первая после многолетнего перерыва Литургия состоялась 14.X.1990. Богослужения проводятся по благословению Патриарха Московского и всея Руси Алексия II священниками Патриаршего подворья храмов в Зарядье и Китай-городе. Отношения между музеем и Московской Патриархией регулируются соглашением между Патриархией и Министерством культуры РФ.