Церкви присвоено имя Святого Пантелеймона, который жил в III веке, когда империей правил жестокий гонитель христиан Максимилиан. Молодой Пантелеймон прославился исцелениями больных и страстными проповедями слова Божьего. Многие излеченные им люди отказывались от язычества и принимали христианскую веру. Пантелеймон был схвачен воинами Максимилиана. На допросе ему предложили отречься от своего Бога, но мужественный христианин отверг это требование и подвергся мучительным пыткам. В истории христианской церкви святой остался под именем Великомученика. Много храмов на Руси носят имя этого святого.

Одновременно с созданием Партикулярной верфи на берегу Фонтанки, на её территории была сооружена часовня. В 1722 году был выстроен деревянный мазанковый храм. Освящение его состоялось 2 сентября 1722 года в отсутствие императора Петра I, бывшего в Астрахани и приславшего приказ об освящении церкви во имя святого великомученика и целителя Пантелеймона. Особое внимание к этому храму связано с тем, что он был задуман императором как храм-памятник боевой славы российского флота, в знак благодарности за две морские победы в Северной войне - при Гангуте 27 июля 1714 г. и Гренгаме 27 июля 1720 г. - обе в день памяти св. Пантелеймона.

В 1734 г. по повелению императрицы Анны Иоанновны рядом с обветшавшей к тому времени деревянной церковью был заложен каменный храм, сохранившийся почти в первоначальном виде до нашего времени. Каменная церковь строилась в 1735 – 1739 годах по проекту архитектора из штата Полицеймейстерства Н. Шумахера. Однако на стадии проектирования неопытный в храмовом зодчестве архитектор, вероятно, был вынужден внести существенные поправки, предложенные Иваном Коробовым, который одновременно перестраивал в камне сооружения Партикулярной верфи. Освящение церкви состоялось 27 июля 1739 года. Поднявшийся вблизи Фонтанки одноглавый храм с высоким куполом стал одним из самых посещаемых петербуржцами.

Строение решено в стиле анненского барокко, особенностями которого являются сложность конфигураций высоких кровель и фронтонов, уплощенность фасадов, украшенных пилястрами, фигурное обрамление окон и двухцветность окраски. Здесь мы видим фасады, 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, колокольню со шпилем своеобразного рисунка.

В самом начале 1764 г. при храме была устроена и 25 января освящена церковь святой великомученицы Екатерины, однако в 1783 году по повелению императрицы Екатерины II ее перенесли в храм святого Пантелеймона и сделали западным боковым приделом.

В 1834 - 1835 годах церковь подверглась частичной перестройке по проекту архитектора В. И. Беретти. При этом был упразднен Екатерининский придел, в храме были устроены деревянные своды, для поддержания которых были поставлены 8 каменных, облицованных искусственным мрамором колонн композитного ордера с капителями, на которых помещены фигурки ангелов с молитвенно сложенными руками. Купол церкви был расписан изнутри; в подкупольном пространстве был установлен иконостас в классическом стиле.

С юга к алтарной части церкви была сделана небольшая каменная пристройка для размещения придела, аналогичная пристройка была сделана и с северной стороны алтаря, здесь была размещена ризница. На фасаде были выполнены скульптором А. В. Логановским мраморные барельефы. В 1872 году по проекту епархиального архитектора Г. И. Карпова здание расширили за счет присоединения к нему часовни и паперти. В 1895 году по проекту архитектора И. М Гольмдорфа пристроили северный придел во имя святого Феодосия Черниговского. В 1910 - 1912 гг. во дворе выстроили церковный флигель и под руководством архитекторов А. П. Аплаксина, Г. А. Косякова и Г. И. Котова провели реставрационный ремонт.

Главными святынями храма были две иконы Святого великомученика и целителя Пантелеймона с частицами его мощей. Одна из них находилась в алтаре храма на горнем месте, другая размещалась в первом ярусе иконостаса за левым клиросом. Эта икона очень почиталась прихожанами, к ней с молитвой обращались все болящие. Перед этой иконой постоянно горели 93 лампады. Ежегодно в день памяти святого Пантелеймона в церкви служили молебны в благодарность за победу при Гангуте.

В начале XX века на фасаде церкви установлены мемориальные доски с перечнем воинских частей, участвовавших в сражении при Гангуте. С этими надписями перекликается текст на боковой стене дома на противоположной стороне Пантелеймоновской улицы, повествующий о героической обороне полуострова Ханко (прежнее название – Гангут) в годы Великой Отечественной войны.

15 июня 1935 г. 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 1981 года в здании церкви размещался филиал музея истории Ленинграда "Гангутская Слава".

15 марта 1994 года церковь передана С.-Петербургской епархии. В храме вновь звучит молитва, одновременно продолжаются работы по реставрации здания.