Церковь святого Пантелеймона ведёт свою историю от часовни при Партикулярной верфи на Фонтанке. В 1722 году вместо часовни был построен деревянный храм. Его освящение состоялось 2 сентября 1722 года. Приказ об освящении храма во имя святого великомученика и целителя Пантелеймона прислал лично Пётр I. Эту церковь император задумал как храм-памятник русскому флоту, в знак благодарности за две морские победы при Гангуте 27 июля 1714 года и при Гренгаме 27 июля 1720. Обе победы были одержаны в день Святого Пантелеймона, потому церковь так и назвали. Так же назвали и начинающуюся у церкви улицу - Пантелеймоновская (ныне улица Пестеля).
В 1734 году рядом с деревянным был заложен новый каменный храм. Строился он до 1739 года по проекту Н. Шумахера. В проект Шумахера внёс достаточно много поправок архитектор И. К. Коробов, поэтому авторство приписывается и ему. Новый храм освятили 27 июля 1739 года. Пантелеймоновская церковь - одна из немногих сохранившихся построек в стиле аннинского барокко.
Церковь святого Пантелеймона посещал Александр Сергеевич Пушкин, живший некоторое время на Пантелеймоновской улице.
В 1834-1835 годах церковь частично перестроил архитектор В. И. Беретти. Были внесены изменения во внутреннее убранство, появились новые пристройки к основному зданию. На фасаде скульптор А. В. Логановский выполнил мраморные барельефы.
В 1910-1912 годах во дворе был построен церковный флигель. В начале ХХ века на фасаде церкви появились две мемориальные доски со списком воинских частей участвовавших в сражении при Гангуте. Позже появилась и надпись на фасаде соседнего здания, рассказывающая об обороне полуострова Ханко (бывший Гангут) во время Великой Отечественной войны.
15 июня 1935 года Пантелеймоновская церковь была закрыта. Появилась идея о её сносе, но это осуществлено не было. Здание стали использовать под склад зерна, позже - как текстильный цех. В 1954 году мемориальные доски отреставрированы. В 1981 году в здании разместился филиал музея истории Ленинграда "Гангутская слава".
Церковь передана Санкт-Петербургской епархии в 1994 году, проводится реставрация здания.
