Пантелеймоновская церковь берет свое начало из часовни на Фонтанке, при партикулярной верфи. Вместо часовни в 1722 году был возведен деревянный храм. Торжественное освящение храма состоялось 2 сентября 1722 года во имя святого великомученика Пантелеймона. Церковь была планирована Петром I как храм и одновременно памятник русскому флоту, который одержал в то время две великие победы – битва при Гангуте 27 июля 1714 года и битва при Гренгаме 27 июля 1720 года.
Церковь была названа в честь великомученика из-за того, что обе победы были одержаны в день Святого Пантелеймона. Улица, которая начиналась от церкви у церкви, тоже назвали Пантелеймоновской (теперь это улица Пестеля). Во время правления Анны Иоанновны в 1734 году, недалеко с деревянной церковью заложили новый каменный храм. Строительными работами руководил Н. Шумахер, закончив строительство в 1739 году. Авторство приписывается так же Ивану Коробову, так как он внес много поправок в проект Шумахера. Торжественно освятили новый храм 27 июля 1739 года.
В 30-х годах XIX века церковь частично перестроил архитектор В.И. Беретти. Появилось пару новых пристроек к основному зданию, так же внесены изменения во внутренние интерьеры храма. Фасад здания украсили мраморные барельефы работы скульптора А.В. Логановского. Во дворе, в начале XX века, возвели церковный флигель. Одновременно на фасаде церкви были установлены две мемориальные доски со списком воинских частей, которые участвовали в сражении при Гангуте. Позже фасад соседнего здания украсила надпись, повествующая о том, как проходила оборона полуострова Ханко (бывший Гангут) во время великой Отечественной войны.
С приходом советской власти 15 июня 1935 года Пантелеймоновскую церковь закрыли, а здание использовали как склад зерна, позже - как текстильный цех. В 50-х годах XX века мемориальные доски отреставрировали. А уже 1981 году в здании церкви разместился филиал музея истории Ленинграда «Гангутская слава». С уходом советской власти в 1994 году здание передали Санкт-Петербургской епархии, сделана реставрация церковных помещений. Архитектура Пантелеймоновской церкви характерна для первой половины XVIII века.