На месте, где стоит этот храм, в 1712 -1714 годах по приказу Петра I в честь тезоименитства его старшей дочери цесаревны Анны Петровны возвели деревянную церковь во имя Архангела Михаила. После того, как она обветшала, царица Анна Иоанновна повелела заложить новую, каменную. Его строительство было осуществлено в необычайно короткий срок. В 1731 году архитектор М. Г. Земцов разработал чертеж храма и в том же году развернулось строительство каменного одноглавого храма с граненым куполом и фонариком на высоком деревянном барабане. К 1734 году храм, в основном, был отделан. Как и в старинных русских церквах, здесь также к центральному объему примыкает низкая трапезная, над входом в которую возвышается небольшая четырехъярусная колокольня. Правда, увенчивается она не традиционным шатром, а тонким шпилем, что было уже свойственно петровскому Петербургу.

Творческую индивидуальность создателя церкви характеризует выразительное соотношение массивного развитого барабана и изящной четырехчастной небольшой колокольни; а также эффектное использование ордерной системы, включающей ритмическое применение пространственных элементов – колонн и плоскостных – пилястр и многое другое. Первоначально фасады церкви были украшены многочисленными деревянными статуями.

27 января 1734 года церковь была торжественно освящена в присутствии императрицы Анны Иоанновны. Главный алтарь церкви был освящен во имя Святых Праведных Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы, а боковые приделы - во имя Архангела Михаила (правый) и Ефрема Сирина (левый). Позже в 1772 году, в церкви был устроен и 16 февраля освящён ещё один придел во имя Святых Евстафия и Плакиды, упраздненный в 1802 году.

Внутренние помещения церкви были покрыты живописными росписями, стены расчленены пилястрами композитного ордера, капители пилястр нижнего яруса были лепными, а верхнего - живописными, написанными золотом по пурпурному фону. Славу храма в те времена составлял беспримерный по красоте иконостас. Сочинение его приписывается Высокопреосвященному Стефану Яворскому и преосвященному Феофану Прокоповичу. Наиболее драгоценны были образ Рождества Спасителя голландской работы, находившийся в алтаре, писанный на досках в 1630 году, икона Божией Матери, именуемая "Троеручица", большое Евангелие с драгоценным окладом, печатанное в Киеве в 1707 году, большая серебряная дароносица чеканки 1730 года и большой серебряный напрестольный крест с мощами святых, выполненный в 1716 году.

Храм был объявлен придворным, и в нем до постройки предшественника современного Казанского собора происходили особо торжественные богослужения, на которые собиралось все городское духовенство. Павел I присвоил церкви орден Святой Анны, деревянный знак которого укрепили над главным входом. По правую сторону алтаря было устроено для Императора особое место, украшенное малиновым бархатом. Церковь стала орденским храмом российских кавалеров ордена Святой Анны. С 1802 года церковь перешла из придворного в епархиальное ведомство, вследствие чего место Императора и орден были сняты. Своеобразным напоминанием о былом значении храма долгое время оставалась царская корона, укрепленная вместо шара на куполе под крестом.

Церковь с трехъярусной колокольней под шпилем принадлежит к числу лучших работ даровитого Земцова, который творчески использовал традиционные приемы древнерусского зодчества. Несмотря на частичные перестройки внутренних помещений храма (наиболее существенная в 1869 – 1872 годах, по проекту Егора Винтергальтера, когда над ризницей был устроен придел во имя иконы Божией Матери "Троеручицы", освящённый 17 октября 1871 года), эта церковь принадлежит к числу хорошо сохранившихся памятников архитектуры первых десятилетий города.

В январе 1938 года храм был закрыт, некоторое время ее помещения использовались под склады и были сильно повреждены. В 1951 - 1954 годах под руководством архитектора В. С. Масленникова в здании церкви были произведены реставрационные работы, и оно было передано Музею метрологии. В 1991 году здание было возвращено С.-Петербургской епархии. 1 января 1995 года церковь была вновь освящена.