Точное время строительства храма неизвестно. По одной из версий, он был возведен в 1502 году, в память о дате благословения Василия III на великокняжеское правление. Согласно другой гипотезе, церковь была построена в 1492 году, хотя первое архивное упоминание о ней относится лишь к 1625 году.

В 1780 году австрийский император Иосиф II посетил Москву и стал гостем двух московских храмов, одним из которых был храм Святого Мартина исповедника. К тому времени церковь сильно обветшала и оставила Иосифа II равнодушным. После этого митрополит Платон решил построить новое здание храма, строительство которого было начато только в 1791 году. Деньги на его строительство дал богатый московский купец-чаеторговец Василий Жигарев, живший неподалёку.

Новый храм был построен по проекту московского архитектора Родиона Казакова. В 1806 году был освящен главный престол — во имя Вознесения Господня, а два придела — во имя Грузинской иконы Богоматери и святителя Мартина Исповедника.

Во время московского пожара 1812 года церковь сильно пострадала, но не была разграблена, потому что «священник Феодор Алексеев все ценное скрыл в колокольне». Восстановление храма продолжалось до 1821 года. Весь XIX век храм оставался холодным, и лишь в 1904 году на средства московского купца Сергея Александрова здесь было установлено калориферное отопление.

В советское время храм уцелел, но разделил судьбу многих московских святынь: сперва он был разграблен, а в 1931 году был закрыт. Его помещения были переданы для архива студии документальных фильмов. Затем здесь находилось хранилище фондов Книжной палаты СССР, а в 1980-х годах — вычислительный центр одного из московских НИИ. С 1990 года начался процесс передачи церкви верующим, и 28 мая 1998 года Патриарх Алексий II совершил великое освящение храма.

Архитектура храма

Здание церкви представляет собой один из шедевров русского зодчества. Знаток московской архитектуры Марина Домшлак писала, что это «безусловно, один из самых лучших и наиболее сохранившихся памятников архитектуры классицизма в Москве». Главное здание в плане представляет собой латинский крест, боковые стороны которого украшены порталами с коринфскими колоннами. Над ним находится главный купол, имеющий форму ротонды диаметром 17 метров. По углам здания расположены четыре купола гораздо меньших размеров. С западной стороны к храму пристроена трёхъярусная колокольня, которая до 1820-х годов была отдельным строением.

В 1800-1801 годах церковь была расписана итальянским живописцем Антонио Клаудо, эти росписи сохранились до нашего времени.