Желая приучить жителей столицы к воде и морскому делу, Петр I устроил в 1718 в истоке Фонтанки, против Летнего сада, партикулярную верфь для постройки мелких судов для частных лиц. Одновременно для рабочих верфи была выстроена деревянная часовня св. Пантелеймона, ибо в день его памяти русский флот одержал над шведами победу при Гангуте, а позже - при Гренгаме.

В 1721 часовню заменила полотняная церковь, размещенная в одном из домов, а 2.IX.1722 епископ Вологодский Павел освятил "между магазейнами" мазанковую. Двенадцать "картин" написал для нее адмиралтейский живописец Гавриил Ипатов.

Церковь простояла недолго, и уже в 1735 по проекту адмиралтейского зодчего И. К. Коробова был начат каменный храм в стиле барокко, снаружи украшенный тосканскими пилястрами. Плафон и образа в нем написал А. Квашнин. В храмовый праздник, 27.VII.1739, его освятил епископ Вологодский Амвросий. Так как церковь была холодной, то 25.I.1764 рядом с ней был освящен теплый придел св. Екатерины, перенесенный в начале ноября 1783 в трапезную. В следующем году Пантелеимоновская церковь из Адмиралтейств-коллегий перешла в состав епархии.

В 1834 за ее переделку взялся В. Беретти: сохранив внешний вид, он повысил главную часть, несколько изменил купол, устроил своды, коринфские колонны и расширил внутреннее пространство. Тогда же появились на фасаде три барельефа А. В. Логановского, в главном иконостасе - новые иконы, на сводах - новая роспись.

Поскольку церковь вмещала всего 900 человек, ее то и дело расширяли: в 1852 по проекту И. Г. Мальгина - с запада, в 1875 - с юга, когда В. Ф. Геккер переделал притвор, устроив в нем часовню. В 1895 Е. Е. Аникин (или И. М. Гольмдорф) на средства дейст. стат. сов. Михаила Георгиевича Петрова пристроил с севера в стиле храма придел благ. кн. Михаила Черниговского и его сына Феодора, освященный 20.IX.1896 митрополитом Палладием. Иконостас для придела исполнил Сигов, а иконы "с лучших образцов" написал М. В. Игумнов.

В 1912 в храме был проведен большой реставрационный ремонт. Через два года Военно-историческое общество укрепило на его фасаде мраморные доски с перечнем полков, участвовавших в сражениях при Гангуте и Гренгаме. День этих сражений отмечался особым молебном. Торжественный молебен с акафистом и водосвятием служился также 15 августа перед образом Успения. В первое воскресенье июля вокруг ныне снесенного Пустого рынка шел из храма крестный ход.

Особым почитанием в церкви пользовались две иконы св. Пантелеймона, одна из которых происходила из первоначальной часовни. Хорошие греческие образа св. Пантелеймона и Успения подарила приходу Императрица Мария Александровна. Интересный образ Христа Спасителя передали в 1834 из домовой церкви кн. В. С. Трубецкого. Довольно много предметов датировалось XVIII веком: серебряная утварь, иконы "Св. Николай в житии", "Семь вселенских соборов", резной золоченый иконостас, сделанный, очевидно, резчиками партикулярной верфи.

В 1867 при церкви открыто благотворительное общество, которое имело женскую богадельню и детский приют, в 1906 - первый в городе церковно-приходской совет, в 1913 - братство свт. Иоасафа Белгородского.

Очень долго в храме служили два протоиерея: Стефан Стефанович Славянский (1831-1866) и Михаил Ферапонтович Архангельский (1864-1904), автор церковно-исторических и гомилетических сочинений. Последним до революции настоятелем был прот. Николай Георгиевич Дроздов, церковный публицист.

Храм хотели снести в 1934 (решение Ленгорисполкома от 10.Х.1934), но закрыли лишь 9.V.1936. Часть икон была передана в Преображенский собор, здание взято под охрану как памятник архитектуры.

В 1980 оно отдано Музею истории Ленинграда для выставки "Гангутский мемориал". В 1991 церковь передана епархии, но службы в ней начались лишь в 1994, в Крещенье.