Первый деревянный храм, посвящённый Боголюбской иконе Божией Матери, был возведён на этом месте в 1382 году по распоряжению святого благоверного князя Димитрия Донского. В начале XVI века его заменил деревянный храм в честь Покрова Пресвятой Богородицы.
Каменный Боголюбский собор был построен в 1684–1690 годах в стиле раннего «нарышкинского барокко» по приказу Петра I над могилами его дядьев, Ивана и Афанасия Нарышкиных, погибших в результате стрелецкого бунта 1682 года. Позже храм стал местом захоронения более 20 членов рода Нарышкиных, включая деда и бабку Петра I. Рядом с храмом расположен некрополь монастыря.
В 1812 году храм был осквернён французскими войсками: некоторые надгробия Нарышкиных разрушены, а внутреннее убранство разграблено.
В 1924–1929 годах община Высоко-Петровского монастыря тайно проводила богослужения в храме, несмотря на запреты властей. В 1929 году храм был закрыт. В советский период надгробия были вынесены, иконы сожжены, а купола и кресты уничтожены. Внутреннее пространство храма было перестроено и осквернено.
В настоящее время храм находится на реставрации, богослужения не проводятся. Церковная лавка, располагавшаяся в притворе собора, временно перенесена в Нарышкинские палаты.