Церковь в честь святого великомученика и целителя Пантелеимона заложена в 1882 г. тогда еще на окраине города в районе Песков. Строительство под руководством архитектора Ф. Данилова велось быстро - уже в 1883 г. были готовы стены, крыша и колокольня. Церковь выстроена в руссковизантийском стиле, строгом, скупом на украшения. Первые богослужения начались в 1885 г. В 1897-1898 храм реконструировал архитектор М.И. Ловцов, автор Благовещенского Собора и Дмитриевской церкви. Он украсил фасад церкви декоративными деталями, что придало церкви нарядный и праздничный вид. Реконструкция церкви также предполагала и расширение.
В 1930 г. храм был закрыт, демонтированы башня с куполом, декоративные башенки. Из купола колокольни вырвали крест. Полуразрушенный храм в конце 1980-х был возвращен православной общине.
Слава об этом благодатном источнике снова стала известной далеко за пределами Харькова. В церкви нередко собирается много прихожан – приложиться к иконе и раке с частицей мощей святого великомученика и целителя Пантелеимона, набрать целительной водички. Три раза в году – на Пасху, Крещение и в день Св. Пантелеимона (9 августа) вода в источнике освящается.
Восстановительные работы были завершены в 1999 г.Понадобилось целых десять лет, чтобы вернуть святыне былую красоту и великолепие. Одновременно с реставрацией храма велись работы по благоустройству его территории и прилегающих к нему зданий.