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 при Анне Иоанновне рядом с деревянным был заложен новый каменный храм. Строился он до 1739 года по проекту Н. Шумахера. В проект Шумахера внёс достаточно много поправок Иван Коробов, поэтому авторство приписывается и ему. Новый храм освятили 27 июля 1739 года.

Ццерковь 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. Её 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 .

В 1994 году церковь передана Санкт-Петербургской епархии, проводится реставрация здания. Пантелеймоновская церковь открыта с 9:00 до 19:00.