Деревянная церковь во имя Всех Святых была известна на этом месте еще в XVII веке. В 1683 году И.М. Милославский построил здесь каменный храм. В 1695 году село перешло к имеретинскому царевичу Александру Арчиловичу, зятю Милославского. В 1711 году село унаследовала его сестра, царевна Дарья Арчиловна. При ней Всехсвятское не раз посещали русские монархи: Петр I, праздновавший здесь заключение Ништадтского мира, Петр II, Анна Иоанновна. В 1733–36 годах на средства Дарьи Арчиловны был возведен новый каменный Всехсвятский храм, дошедший до наших дней.
Помимо главного престола во имя Всех Святых, в трапезной церкви было освящено два придела: в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость» и в честь праведных Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы.
Здание церкви относится к эпохе барокко. Трехъярусную колокольню иногда называют «пизанской башней» Москвы: она имеет наклон около 5 градусов.