В ночь с 7 на 8 августа 1689 года в Кремле разразилась военная тревога: по наущению царевны Софьи стрельцы готовились к вооружённому выступлению против её главного соперника за трон — Петра. Однако среди стрельцов нашлись преданные Петру люди, которые поспешили в Преображенское, чтобы предупредить царевича о грядущем заговоре. Петр, осознав угрозу, немедленно сел на коня и вместе с небольшой свитой отправился в Троице-Сергиев монастырь.
Уже на следующее утро будущий император нашел убежище в обители преподобного Сергия и обратился за помощью к наместнику монастыря. В тот же день к Петру присоединились его верные Преображенский и Семеновский полки, а также его мать, царица Наталья Кирилловна Нарышкина. Несмотря на то, что силы Петра в монастыре были значительно слабее по численности стрелецкого войска, поддерживавшего Софью, судьба сложилась иначе: заговор против Петра был раскрыт, Софья потеряла доверие стрельцов и своих сторонников, а вместе с тем — возможность претендовать на трон.
Находясь под защитой Троице-Сергиева монастыря, Петр был спасён от серьёзной опасности. Это событие глубоко запечатлелось в его памяти. В знак благодарности преподобному Сергию за своё чудесное спасение, Петр уже в первые годы своего правления (в 1690-х гг.) инициировал строительство православных храмов по всей Москве. Одной из главных его инициатив стало возведение Сергиевского храма в Высоко-Петровском монастыре, в основу которого была заложена трапезная церковь преподобного Сергия Радонежского в Троице-Сергиевом монастыре.
К 1694 году строительство Сергиевского храма было завершено, а работы по внутреннему убранству и иконостасу окончились к 1697 году. В это же время возвели большой корпус келий, соединённый с храмом арочным переходом. Финансирование всех работ шло из Приказа Большой Казны, а к строительству привлекли лучших мастеров.
Изначально Сергиевская церковь имела одну главу, как и её прототип в Троице-Сергиевом монастыре, однако в 1702-1705 годах крыша и своды были перестроены, и количество глав увеличилось до шести.
С приходом советской власти монастырь был закрыт. В 1919 году здание Сергиевской церкви передали Центральной медицинской библиотеке, а позже здесь разместился Московский электро-механический завод (МЭМЗ). В 1930-х годах главы церкви с крестами были разрушены, а к 1950 году здание оказалось в аварийном состоянии.