Местность, в которой находится церковь Всех Святых, сейчас обычно называют Соколом. Такое название имел кооперативный жилой поселок, основанный в 1923 году на землях старинного села Всехсвятского. Церковь — едва ли не единственное здание, оставшееся от этого села. Оно впервые упоминается как «Отцы Святые» в духовной грамоте князя Ивана Патрикеева, составленной в 1498 или 1499 году. Вскоре владения Патрикеевых были конфискованы в пользу великого князя. В 1585 году село «Отцы Святые» вместе с окрестными деревнями было пожаловано кремлёвскому Архангельскому собору. В Смутное время село было разорено и перестало существовать. Здесь находилась ставка воевод царя Василия Шуйского, которые безуспешно пытались сдержать наступление Лжедмитрия II, обосновавшегося в Тушине. Документы 1620-х годов упоминают здесь всего лишь «пустошь, что было село Святые Отцы на речке на Ходынке».
Возрождение села связано с именем боярина Ивана Милославского, племянника первой жены царя Алексея Михайловича. В 1678 году Милославский получил пустовавшие земли, заселил их, построил боярский двор и в 1683 году возвел каменную церковь во имя Всех Святых. С этого времени село получило новое название — Всехсвятское. В 1695 году село с усадьбой перешло к его зятю — царевичу Александру Арчиловичу, сыну имеретинского царя. Так начался «грузинский период» в истории Всехсвятского. Царевич владел селом недолго — в 1700 году он оказался в шведском плену, откуда уже не вернулся. Некоторое время хозяином Всехсвятого был его отец Арчил II, при котором здесь появилась первая грузинская типография. В 1713 году село унаследовала царевна Дареджан, по-русски — Дарья Арчиловна, которая проводила здесь со своим окружением летние месяцы. Примечательными событиями в истории Всехсвятского были визиты коронованных особ: село находилось на Тверской дороге, и царская свита нередко делала здесь остановку перед въездом в Москву. Для этого близ Всехсвятского был сооружён деревянный путевой дворец. В 1722 году император Пётр I начал отсюда маскарадное шествие в Москву в честь Ништадтского мира со Швецией.
Ныне существующая церковь Всех Святых была возведена на средства царевны Дарьи Арчиловны. В 1733 году царевна получила разрешение на строительство каменной церкви с двумя приделами. Уже через несколько месяцев приделы, находившиеся в трапезной, были освящены в честь иконы Богоматери «Всех скорбящих Радость» и в честь праведных Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы. Работы в главном храме продолжались еще несколько лет, и лишь в сентябре 1736 года его освятил протопоп Успенского собора в Кремле Никифор Иванов.
Скромная барочная церковь состояла из основного храма с полукруглой апсидой, небольшой трапезной и колокольней. Искусствоведы определяют тип храма как «восьмерик на четверике», но восьмерик по форме напоминает полусферический купол на постаменте. Первоначальная трапезная не сохранилась. Над западным притвором возвышается колокольня — восьмигранный столп с арками звона, поставленный на четверик-основание.
После смерти в 1740 году Дарьи Арчиловны село перешло к другим грузинским царевичам — сыновьям Вахтанга VI. Последним владельцем имения, который жил во Всехсвятском, был князь Георгий Александрович Грузинский (1762–1852). Он заново отстроил усадьбу и разбил при ней парк. При нём церковь была отремонтирована, установлен многоярусный иконостас (существовал до закрытия храма в советское время). В 1812 году село и имение подверглись разорению, церковь была осквернена. В 1830-х годах через Всехсвятское было проложено шоссе между Петербургом и Москвой, местное население стало стремительно расти, а князь Грузинский уехал в другое своё имение — Лысково. К концу XIX века Всехсвятское превратилось в торгово-промышленный посёлок, пригород Москвы. Вокруг него появились фабрики и заводы, благотворительные заведения, дачные поселки. В 1908 году эти земли были охвачены Окружной железной дорогой (ныне Московское центральное кольцо, МЦК).
Рост числа прихожан потребовал расширения старого храма. В 1884 году московский митрополит Иоанникий (Руднев) осмотрел церковь и указал местному причту на недостатки: храм был тесным, тёмным, холодным и грязным. Вскоре церковь отремонтировали, трапезную перестроили по проекту архитектора А.П. Попова, внутри появились новые росписи. Однако этого оказалось недостаточно: в 1902–1903 годах по проекту Н.Н. Благовещенского трапезную расширили пристройками, тогда же были возведены дома причта и здание церковно-приходской школы.
С 1923 года храм принадлежал «обновленцам», которые составляли оппозицию патриарху Тихону и его преемникам. Богослужения продолжались до 1939 года, когда церковь закрыта, а её внутреннее убранство уничтожено. Только в 1945 году храм вернули верующим, вскоре он был вновь освящён. Это была одна из самых посещаемых московских церквей — в окрестных районах не было других действующих храмов. Богослужения совершались ежедневно, во время православных праздников в храм было трудно войти. Чтобы проводить дополнительные службы, в 1981 году в церкви освятили дополнительный престол во имя святых мучениц Веры, Надежды, Любови и Софии.
После повторного открытия храм неоднократно ремонтировали. Во время одного из ремонтов на куполе-восьмерике были сделаны ложные окна-люкарны. После 2000 года архитектурный декор упростили, на колокольне появились башенные часы, на фасадах — мозаичные панно в древнерусском стиле. Изменения коснулись и внутреннего убранства. В 1946–1947 годах появились новые резные иконостасы и киоты с образами в «васнецовском» стиле. К этому времени относится и живописная композиция «Собор всех святых» в главном храме. Часть росписей сохранилась с 1880-х годов, некоторые были выполнены в 1960-х годах. Убранство советского времени составляет достопримечательность храма.
Вокруг церкви находилось кладбище, на котором хоронили не только прихожан, но и приближенных грузинских царей и царевичей. В 1725 году под храмом был похоронен грузинский просветитель Сулхан-Саба Орбелиани. Ещё в XIX веке здесь погребали представителей знатных родов, в том числе Багратионов и Цициановых. К 1982 году церковное кладбище было снесено, от него осталось лишь несколько надгробий и памятных досок. Среди них примечателен пирамидальный памятник князю И.А. Багратиону, установленный его сыном, П.И. Багратионом — знаменитым русским полководцем. В 1990-х годах на месте кладбища был создан мемориал «Примирение народов», посвящённый жертвам войн и гражданских конфликтов.
