Церковь задумана Петром I как храм-памятник боевой славы российского флота, в знак благодарности за две морские победы в Северной войне - при Гангуте 27 июля 1714 года и Гренгаме 27 июля 1720 года - обе в день памяти св. Пантелиимона (ст. стиль; нов. стиль - 9 августа).
На территории Партикулярной верфи на берегу Фонтанки сначала была сооружена часовня. В 1722 году был выстроен деревянный мазанковый храм. Освящение состоялось 2 сентября 1722 года. Петр I не присутствовал на освящении, так как был в Астрахани. Он прислал приказ об освящении церкви во имя святого великомученика и целителя Пантелиимона.
По повелению императрицы Анны Иоанновны в 1734 году рядом с деревянной церковью св. вмч. Пантелиимона был заложен каменный храм по проекту Н. Шумахера и доработанный Иваном Коробовым. Освящение церкви состоялось 27 июля 1739 года, епископом Вологодским Амвросием.
Церковь была холодной, в 1764 году к ней был пристоен тёплый придел, освящённый во имя св. Екатерины, перенёсенный в 1783 году в трапезную.
В 1834 - 1835 годах здание было перестроено в стиле позднего ампира архитектором В. И. Беретти, а в 1840-х годах на фасадах храма были укреплены мраморные барельефы (скульптор А. В. Логановского).
В 1875 году со стороны Пантелиимоновской улицы (ныне Пестеля) архитектор В. Ф. Геккер соорудил часовню в притворе храма. В 1895 - 1896 годах со стороны набережной Невы был пристроен придел св. князя Михаила Черниговского и его сына Феодора (арх. Е. Е. Аникин или И. М. Гольмдорф). В таком виде церковь сохранилась до нашего времени.
Храм одноглавый с высоким куполом. Искусствоведы отмечают особенности храма: сложность конфигураций высоких кровель и фронтонов, уплощенность фасадов, украшенных пилястрами, фигурное обрамление окон и двухцветность окраски. Фасады храма, скупо декорированные плоскими пилястрами дорического ордера, фигурный барочный фронтон над полукруглой алтарной апсидой, барочное оформление восьмигранного барабана, перекрытого граненым куполом с небольшой луковичной главкой под крестом, в западной части здания - колокольня со шпилем.
В 1914 году по инициативе Императорского Российского военно-исторического общества на фасаде Пантелиимоновской церкви были укреплены мраморные мемориальные доски с перечнем полков, сражавшихся при Гангуте и Гренгаме. При церкви действовало благотворительное общество, содержавшее женскую богадельню и детский приют. С 1913 года при храме существовало братство святителя Иоасафа Белгородского.
В 1922 году церковь отошла к обновленцам. 15 июня 1935 года храм был закрыт, все святыни были изъяты из него, большая часть внутреннего убранства утрачена. В здании церкви разместили склад зерна, позже текстильный цех. В 1954 году мемориальные доски в память победы при Гангуте были отреставрированы и возвращены на фасад церкви. С 1980 года в здании церкви размещался филиал музея истории Ленинграда "Гангутская Слава".
В 1991 церковь передана епархии, службы в ней начались лишь в 1994, в Крещенье.
Адрес: ул. Пестеля, д. 2-а. (Соляной пер., 17)
