Строительство храма было начато 11 июня 1899 года по инициативе протоиерея Владимира Левицкого и благодаря пожертвованиям русских прихожан, в частности семьи Демидовых, и Императора Николая II. Строительство велось по проекту архитектора Михаила Преображенского. За основу строительного стиля было принято московско-ярославское зодчество XVII века, периода наивысшего расцвета русской храмовой культуры. Храм представляет двухэтажную композицию с высоким крыльцом, центральная часть которого завершается покрытием с кокошниками и традиционным русским пятиглавием.
В росписи верхнего храма Рождества принимали участие Пётр Шарворок, Александр Блазнов, Михаил Васильев, Дмитрий Киплик. Все образа́ иконостаса (кроме Царских врат и верхних ряда кисти Михаила Васильева) исполнил академик Александр Новоскольцев. Великолепный мраморный иконостас с иконами небесных покровителей Царской Семьи является даром Императора Николая II.
Церковь состоит из нижнего и верхнего храмов. Нижнюю церковь во имя святителя Николая Чудотворца освятили 8 октября 1902 года, а верхнюю церковь во имя Рождества Христова — 26 октября 1903 года.
После революции 1917 года поддержка прихода со стороны Русской Церкви прекратилась, в 1921 году приход стал самостоятельным, несмотря на попытки советских дипломатов заявить права на здание.
С 1920 года храм пребывал в юрисдикции митрополита Евлогия (Георгиевского) и вместе с другими подчинёнными ему приходами в феврале 1931 года вошёл в юрисдикцию Константинопольского Патриархата.
С 1925 по 1936 годы храм служил временной усыпальницей членов Греческой Королевской Семьи — Короля Эллинов Константина I, Королевы Эллинов Ольги Константиновны, Королевы Эллинов Софии, урожденной Принцессы Прусской.
В 1987 в храме начались реставрационные работы под руководством архитектора Винченцо Ваккаро, которые в 1996—1999 годах вернули зданию прежний вид. В ноябре 2003 года при участии городских и церковных властей торжественно отмечено столетие церкви.
В октябре 2018 года в знак протеста против действий Патриарха Константинопольского на Украине община вышла из подчинения Константинопольского Патриархата: с 28 октября 2018 года за богослужением поминался Первоиерарх Русской Православной Церкви Заграницей митрополит Восточно-Американский и Нью-Йоркский Иларион (Капрал). На общем собрании прихожан, где присутствовало более ста человек, была выражена единогласная поддержка решению Церковного совета о переходе в юрисдикцию РПЦЗ.
В настоящее время храм относится к Западно-Европейской епархии РПЦЗ. Настоятель храма – протоиерей Георгий Блатынский.