Храм расположен в районе Нагатино-Садовники, Южного административного округа города Москвы, в бывшем подмосковном селе Коломенское. Храм является шедевром мировой архитектуры, первым каменным шатровым храмом в России.

Возведена в Коломенском в 1528—1532 годах (предположительно итальянским архитектором Петром Францизском Ганнибалом, по русским летописям Петром Фрязином или Петроком Малым) на правом берегу Москвы-реки. Ктитор храма — великий князь Московский Василий III.

В храме наряду с шатром были применены пристенные пилоны, что позволило построить огромное здание невиданных пропорций, с «летящей» архитектоникой. Постройка была осуществлена с размахом и значительными материальными затратами. В истории русского зодчества храм остался произведением, с точки зрения его формального совершенства, единственным и неповторимым.

Церковь выполнена из кирпича с многочисленными белокаменными элементами декора в виде центрического храма-башни; её высота составляет 62 метра. План представляет собой равноконечный крест. Внутреннее пространство храма сравнительно невелико — чуть более 100 квадратных метров. Вокруг храма расположена двухъярусная галерея-гульбище с тремя высокими лестницами-всходами. На фасадах углы церкви оформлены вытянутыми плоскими пилястрами с капителями в духе раннего Возрождения. Между ренессансными пилястрами сделаны остроконечные готические вимперги. На основной крестообразный объём церкви поставлен восьмерик, в нижней части оформленный рядами больших килевидных арок в традиционном московском стиле, а выше украшенный сдвоенными ренессансными пилястрами. Храм перекрыт шатром с чётко выделенными рёбрами.

Как показал С. С. Подъяпольский , в здании имели место многочисленные «ренессансные» элементы (ордера, порталы с прямыми архитравными перекрытиями проемов, «ренессансная» прорисовка готических вимпергов и пр.). В отношении готических элементов (общей столпообразности и многих элементов декора, прежде всего самих вимпергов) исследователь полагал, что Петрок Малый применил их как стилизацию под «местную» архитектуру, так как уловил в предшествовавшем ему древнерусском зодчестве дух готики.
На галерее располагается монументальный трон, снаружи приставленный к восточной стене церкви и повернутый спиной к алтарю.