Храм Варвары Великомученицы предположительно существовал ещё в XIV веке немного южнее современной церкви. В 1514 году под руководством итальянского зодчего Алевиза Нового было построено каменное здание. В 1796—1801 годах майор артиллерии Иван Барышников и московский купец первой гильдии, владелец крупного колокололитейного завода Николай Самгин (1750—1838) заказали новое здание церкви. Построил его архитектор Родион Казаков. В начале XIX века в церкви сначала пресвитером, а затем протоиереем состоял писатель Иоанн Кандорский.

Существует городская легенда, что в 1812 году французы использовали храм под конюшню. Но в силу его архитектурных особенностей: узких крутых лестниц, высокого цоколя — это просто невозможно было сделать. Здание сильно пострадало от мародёров и пожара и было восстановлено в 1820-х годах.

В 1920-х годах церковь была перестроена (разобран верхний ярус колокольни) и закрыта. В 1965—1967 годах, при благоустройстве территории около возведённой гостиницы «Россия», её отреставрировали, под руководством архитектора Георгия Макарова была восстановлена колокольня.