Впервые деревянная церковь на этом месте, на Большой Ордынке, упоминается в 1612 году Тогда рядом с ней проходили сражения Второго ополчения под руководством К. Минина и князя Д.М. Пожарского. Однако, вероятнее всего, церковь была основана здесь раньше, в конце XVI века, в Екатерининской белильной слободе. Каменный храм с приделом святого Николая на этом участке существовал с 1657 года.
В 1764–1767 годах по заказу Екатерины II архитектор К.И. Бланк выстроил новый храм Екатерины в стиле барокко. План церковного комплекса имеет трёхчастное деление: с востока, ближе к Ордынке, расположен главный летний храм святой Екатерины, именовавшийся также холодным, так как он не отапливался зимой, а с запада, в глубине владения, — придельный зимний храм во имя Спаса Нерукотворного Образа, называвшийся также тёплым, поскольку здесь было отопление на зиму. Между собой их соединяет колокольня, бывшая поначалу двухъярусной и затем надстроенная в середине XIX века.
Главный Екатерининский храм, созданный К.И. Бланком, отделан в стилистике барокко, увенчан одной главой на широком куполе, прорезанном четырьмя круглыми люкарнами. Иконы для церкви создавали выдающийся живописец Д.Г. Левицкий и В.И. Василевский. Особым украшением храмового интерьера были серебряные Царские врата в барочном иконостасе.
В 1870–1872 годах архитектор П.П. Петров, возможно при участии Д.Н. Чичагова, пристроил с запада к Екатерининской церкви тёплую придельную Спасскую церковь. Она повторяет архитектуру главного храма. Тем самым ансамбль из двух церквей и колокольни между ними приобрёл законченный облик.
Это редкий случай, когда церковная ограда заслуживает отдельного раздела. В 1760-х годах церковь Екатерины была окружена оградой с коваными металлическими решётками. Каждая решётка состояла из трёх горизонтальных прутьев с декоративными деталями — аннинскими коронами, восьмиконечными звёздами на стыках и столярной розеткой в верхней части центрального прута. Эти решётки были выполнены в 1730 году дворцовыми мастерами по проекту Х. Конрада и до 1740 года стояли в Московском Кремле, между Архангельским собором и Патриаршим двором, а затем были убраны. В 1762 году их, по распоряжению Екатерины II, передали для церкви Екатерины.
Проект каменной части церковной ограды был создан К.И. Бланком, и в 1763–1767 годах она возводилась под его наблюдением. Ограда была установлена в 1769 году на белокаменном цоколе и состояла из металлических и каменных элементов. Украшенные пилястрами столбы и мощные пилоны ворот, симметрично окружавшие храм по линии улицы, были увенчаны белокаменными орлами. Кованые российские гербы венчали центральные прутья решётки. На равном расстоянии возвышались столбы с пилястрами, завершённые карнизами большого выноса, которые симметрично окружали церковь.
Западная часть ограды была возведена при восстановлении церкви после пожара во время Отечественной войны 1812 года по проекту архитектора Ф.М. Шестакова.
После Октябрьского переворота двуглавые орлы с ограды были сняты. Тем не менее церковь Екатерины продолжала играть важную роль в жизни Москвы: в 1920–1924 годах во время престольных праздников в ней служил патриарх Московский и всея Руси Тихон.
В 1931 году Екатерининский и Спасский храмы были закрыты. Храмовая икона св. Екатерины была перенесена в церковь Воскресения в Монетчиках, а после сноса церкви Воскресения — в храм Флора и Лавра на Зацепе; дальнейшая судьба иконы неизвестна. Колокольня была разрушена до первого яруса, главы были разобраны. Спасский храм был отдан сначала под жильё, затем под конторские помещения. Его занимало Центральное проектно-конструкторское бюро приборостроения. В Екатерининском храме находились различные организации, в том числе НИИ стандартизации приборов и Всесоюзный художественный научно-реставрационный центр имени И.Э. Грабаря. В 1970–1983 годах Екатерининская церковь была внешне восстановлена реставрационными мастерскими центра И.Э. Грабаря.
В 1992 году храмы были переданы православной общине. 7 декабря 1994 года они стали представительством Православной церкви в Америке. 11 июня 1999 года состоялось великое освящение храма Екатерины Патриархом Алексием II. Несмотря на это, передача площадей Московской патриархии затянулась до 2006 года. В ходе реставрации храма Екатерины был позолочен купол, возвращён исторический облик рельефным изображениям херувимов в интерьере и выполнены другие работы.
