В первой четверти XVII века Дубровицы принадлежали роду Морозовых. Боярин Иван Васильевич перед смертью принял монашеский постриг с именем Иоаким, а его вотчина перешла к дочери. Ксения Морозова вышла замуж за князя Ивана Андреевича Голицына. По заказу супругов в 1662 году поставлен новый деревянный храм.
С 1688 года владельцем села стал князь Борис Алексеевич Голицын. После окончания недолгой опалы, Голицын в знак примирения с Петром I решил построить новый каменный храм в Дубровицах на месте крепкой еще деревянной церкви. Царь одобрил это решение такими словами: «Хоть человек ты богатый, а казной и я помогу». Деревянный Ильинский храм был разобран и перенесен в село Лемешово для кладбища. Храмоздатель по рекомендации Петра I пригласил итальянского архитектора. Имя его остается загадкой до нашего времени.
Молебный чин на основание храма совершен во вторник, 22 июля 1690 года, в присутствии государя. Предполагалось посвятить храм новгородскому образу Пресвятой Богородицы «Знамение». Церковь возводили иностранные мастера и русские крепостные. Местный камень для строительства добывали жившие в долине реки Пахры потомственные каменотесы. Работы по возведению храма велись только летом. Во время строительства неоднократно приезжал в Дубровицы и Петр I.
Церковь была готова к 1697 году, однако Патриарх Адриан разрешения ее освятить не дал, хотя в архитектуре храма прослеживались традиции древнерусского зодчества, в целом он оказался построенным в духе подражания западным, католическим образцам. Здание храма приподнято на высоком цоколе, вокруг него проходит открытое гульбище с парапетом. Резное узорочье еще сохраняло влияние внешнего убранства древнейших храмов Суздаля и Владимира. Но в то же время храм изобиловал скульптурными изображениями, отражавшими влияние европейского барокко XVII века. Уже при входе русского богомольца встречали не иконы, а статуи святителей Григория Богослова и Иоанна Златоуста. Их дополняло расположенное на крыше такое же изображение Василия Великого. По углам цоколя находились скульптуры четырех евангелистов. Вокруг башни двенадцать апостолов. Много рельефных изображений и в интерьере. В храме имелись чуждые православной традиции образцы католической иконографии.
Храм освятил уже после смерти Патриарха Адриана митрополит Стефан (Яворский) 11 февраля 1704 года, в присутствии Петра Великого, царевича Алексея, многих светских и духовных особ. Царь внес богатый подарок, дорогостоящую церковную утварь. Через несколько лет князь Борис Алексеевич принял постриг с именем Боголеп во Флорищевой пустыни и вскоре отошел к Господу. Позже в Дубровицах построили колокольню, княжеский дворец и конный двор.
С 1781 года Дубровицами владел князь Григорий Александрович Потемкин-Таврический. Императрица Екатерина II приобрела у него Дубровицы и подарила своему флигель-адъютанту Александру Матвеевичу Дмитриеву-Мамонову.
В 1848-1850 годах провели реставрацию церкви на средства, выделенные из казны по распоряжению императора Николая I. Работами руководил архитектор Рихтер. Тогда позолотили резьбу, корону и крест, подновили скульптуру, латинские надписи заменили на русские. 27 августа 1850 года святитель Филарет, митрополит Московский, в присутствии московского генерал-губернатора вновь освятил храм. С того времени службы возобновились, но совершались только в теплое время года, так как здание никогда не отапливалось.
В 1864 году Дубровицы вернулись к князьям Голицыным.
После 1917 года усадьба была разорена. В 1930-х годах церковь уже не действовала. Здание и его внутреннее убранство разрушались. Фундамент церкви осел в результате взрыва колокольни в 1932 году. В 1947 году в голицынском дворце разместился Всесоюзный научно-исследовательский институт животноводства, а в здании храма его склады. Храм пришел в аварийное состояние.
Первая Литургия совершена 14 октября 1990 году епископом Можайский Григорием. В храме проводились сложные восстановительные работы. Церковь включена в «Список Всемирного наследия» ЮНЕСКО.
