По указу Екатерины II в 1770 году участок был передан петербургской армянской общине под строительство армяно-григорианской церкви, которое началось год спустя. 18 февраля 1780 года церковь была освящена во имя святой великомученицы Екатерины.
Храм выдержан в стиле раннего классицизма; на фронтоне помещена многофигурная композиция, повествующая о крещении армян и провозглашении христианства государственной религией Армении.
Церковь стала центром армянской культуры в Петербурге, при ней действовала типография и национальная школа. В 1930 году церковь была закрыта, во время Великой Отечественной войны в здании находился штаб ПВО, после войны - мастерская декораций Театра музыкальной комедии.
В 1993 году церковь была возвращена армянской общине, после реставрации вновь освящена 12 июля 2000 года.