Храм посвящён русской воинской морской славе.Это одна из самых старых церквей нашего города, основанная в 1718 году Петром I в честь победы на шведским флотом.В 1735—1739 годах построен новый каменный храм в стиле аннинского барокко. Новая церковь имела колокольню и шатровый купол из дерева. Она была освящена в храмовый праздник, 27 июля (7 августа) 1739 года. Поскольку в церкови было холодно, к 1764 году был пристроен тёплый придел святой Екатерины, перемещённый в 1783 году в трапезную.В 1765 году церковь из Адмиралтейств-коллегий отошла в состав епархии.В 1834—1835 годах здание было перестроено в стиле позднего ампира, а в 1840-х годах фасады храма были декорированы мраморными барельефами. Храм не раз расширялся: в 1852 году в направлении Фонтанки, в 1875 году со стороны современной улицы Пестеля архитектор В. Ф. Геккер изменил притвор, устроив в нём часовню и в 1895—1896 годах был пристроен придел князя Михаила Черниговского и его сына Феодора со стороны Невы. В таком виде церковь и сохранилась до наших дней.С 1906 года в храме действует 1й в Петербурге церковно-приходский совет, с 1913 года – братство святителя Иоасафа Белгородского.В 1912 году прошло восстановление церкви, а в 1914 году по указу Императорского Российского военно-исторического общества на фасаде Пантелеимоновской церкви были возведены мраморные мемориалы с перечнем полков, воевавших при Гангуте и Гренгаме.В здании Пантелеимоновской церкви работала экспозиция, посвящённая сражениям петровского галерного и парусного флота на Балтике, отваге русских воинов в Северной войне и героизме моряков при обороне полуострова Ханко в начале Великой Отечественной войны.В 1991 году церковь снова отдана епархии, с Крещенья 1994 года регулярно проводятся богослужения.В 2002—2003 годах была выполнена реставрация фасадов и куполов. В 2007 году началось восстановление росписи храма.