По окончании Русско-турецкой войны 1877—1878 годов в Софии образовалась значительная русская община, состоявшая в основном из русских экспертов. Тогда же появились планы устроить для неё отдельный храм. В 1882 году городские власти предоставили участок в 1400 квадратных метров на месте уничтоженной тогда же рыночной мечети. Созданный для строительства храма комитет начал собирать пожертвования. Закладка храма планировалась в 1902 году. Однако, по разным причинам (в основном, политическим), она откладывалась.
Всё это время члены русской общины молились в зале, располагавшемся в дипломатическом агентстве.
Закладка современной церкви состоялась 2 (15) сентября 1907 года в присутствии Великого Князя Владимира Александровича, Князя Болгарии Фердинанда с наследником престола Князем Борисом Тырновским.
Автор проекта — Михаил Тимофеевич Преображенский. К 1911 году здание вчерне было готово, но отделка и роспись продолжались ещё более двух лет.
Освящение храма 11 (24) ноября 1914 года возглавил по просьбе Болгарского Экзарха митрополита Иосифа (Йовчева) (тогда в схизме) митрополит Доростольский и Червенский Василий (Михайлов) в сослужении членов своего Синода и российского духовенства (что нарушало прежнюю линию российского Синода не допускать сослужения).
По вступлении в октябре 1915 года Болгарии в Первую мировую войну на стороне Центральных держав (против России), дипломатические сношения между Болгарией и Россией были прерваны, дипломатическая миссия и русское духовенство эвакуированы в России, богослужение в храме прекращено.
С 2 января 1920 года до начала 1923 года в Софии действовала русская дипломатическая миссия правительства генерала Антона Деникина во главе с Александром Петряевым; на неё возлагалась защита интересов русских беженцев и русской церкви в Болгарии. После закрытия миссии, её имущество вместе с имуществом церкви было опечатано комиссией, назначенной Министерством иностранных дел и исповеданий Болгарии.
Храм, находившийся в юрисдикции Русской Православной Церкви Заграницей продолжал действовать, но без своего имущества и архива — до 1933 года, когда, в преддверии установления болгаро-советских дипломатических отношений, правительство Народного блока решило передать церковное имущество настоятелю русской церкви в Софии отцу Н. Владимировскому. После напряжённых переговоров о условиях установления дипотношений, 15 сентября 1934 года церковь при посольстве СССР была передана во временное пользование болгарскому государству в лице Министерства иностранных дел и исповеданий; 18 декабря того же года Министерство передало церковь и всё её имущество Софийской митрополии Болгарской Православной Церкви.
После установления в Болгарии прокоммунистического правительства «Отечественного фронта», в июне 1946 года Советский Союз разрешил некоторым русским эмигрантам принять гражданство СССР, что позволило передать им храм во временное пользование для богослужений. 28 декабря 1946 года, после реставрации и ремонта, храм был передан в ведение архиепископа Богучарского Серафима (Соболева), управляющего приходами Русской Православной Церкви в Болгарии (ранее в епископате РПЦЗ). Последний был погребён в крипте храма в 1950 году.
С ноября 1952 года имеет статус Подворья Русской Православной Церкви в Софии.
В 1975—1977 годах были проведены работы по реставрации росписей храма, в 1982 году — заново позолочен иконостас. Новый ремонт был сделан в 1994—1996 годах.
В настоящее время настоятелем храма является архимандрит Вассиан (Змеев), настоятель Подворья Русской Православной Церкви в Софии.