Церковь построена в 1766—67 как летния, каменная, во имя великомученицы Екатерины (арх. К. И. Бланк) на средства и по обету Екатерины II в ознаменование ее воцарения. Росписи стен и иконы исполнялись живописцами Д. Г. Левицким и В. И. Василевским. В 1769 перенесена стоявшая в Кремле между Архангельским собором и Патриаршим двором ограда (1730—31). В кон. 1820-х с зап. по образцу старой поставлена новая ограда (арх. Ф. М. Шестаков), ее решетки заменены в 1870-х. В 1870—72 с зап. пристроен второй, зимний, теплый храм (арх. Чичагов) и между храмами — двухъярусная колокольня в стиле барокко (арх. П. Петров). Главный престол зимнего храма — Спаса Нерукотворного Образа — занял место Никольского придела (1774), повторив его композицию и декор и был соединен с храмом Екатерины алтарным выступом. Приделы — святителя Николая Чудотворца и благоверного князя Александра Невского.

Состоит из трех отдельных зданий, вытянутых в одну линию с вост. на зап.. В центре — колокольня, с вост. от нее — летний и с зап. — зимний, стилизованный под соседний, храмы. В куполе — росписи нач. XIX в. школы Д. Г. Левицкого. На стенах сохранились фрагменты росписей. Двусветный восьмерик храма перекрыт куполом с высокими люкарнами, завершается небольшой главой. С вост. примыкает прямоугольный алтарь, с зап. — ризница, с юга и сев. — полукруглые притворы. Лепной декор — коринфские капители пилястр первого яруса, картуши над окнами, пилястры с волютами в верхней части. Сохранились ограды — XVIII в. (с двумя вратами) и XIX в.

В 1922 власти изъяли свыше 11 пудов золотых и серебряных церковных украшений и утвари. В 1931 закрыт. Разрушены завершение храма, верх колокольни, исчезли иконостас с иконами и церковная утварь. Летний храм использовался под жилье, зимний — под конторские помещения, проектное бюро, НИИ, затем передан Всесоюзному художественному научно-реставрационному центру им. Грабаря. Реставрировался в 1970—80-х (рук. арх. Е. Н. Новик). Восстановлены барабан с главкой, декор ограды, раскрыта первоначальная живопись.

В 1992 возвращен РПЦ. С 7.XII. 1994 -подворье Православной Церкви в Америке (летом 1999 осв. храм вмч. Екатерины, настоятель — архимандрит Закхей (Вуд). 9.III.2002 крестным ходом была встречена святыня — икона преподобного Германа Аляскинского с частицами его святых мощей). Богослужения — на церковно-славянском и английском языках. При храме — группы катехизации и центр преподобного Силуана Афонского.