Во время царствования Ивана IV Васильевича Грозного, после середины XVI века, по линии нынешнего Климентовского переулка стали селиться стрельцы. Видимо, Свято-Климентовский храм располагался в центре их зареченской слободы. Подтверждение тому в названии этого места обитания стрельцов – Климентовский городок, или острожец, осторожок.
Деревянная Климентовская церковь обозначена на первой карте Москвы, так называемом «Годунове чертеже» 1597 года.
Она занимает особое место в событиях Смутного времени и освобождении Москвы от интервентов. Здесь, у Климентовского острожка, в августе 1612 года казаки из ополчения нанесли первый удар польско-литовским войскам. Интересно, что посланный Дмитрием Михайловичем Пожарским для воодушевления воинов отец Авраамий нашёл уже ликующих казаков по случаю уничтожения неприятеля. Позднее историки отмечали, что «сражение при Климентовском острожке было, как бы, зерном спасения Москвы и России», а сам храм, как свидетель этого важного события, приобрёл «особое историческое значение для Отечества».
После опустошительного «лихолетья» началось постепенное восстановление мирной жизни. Стрельцы вернулись в свои слободы и по православной традиции первым делом взялись за восстановление своего приходского Свято-Климентовского храма с погостом.
В книгах Патриаршего Казённого приказа храм упоминается под 1625 годом. Главный его престол был посвящен священномученикам Клименту, папе Римскому, и Петру Александрийскому. Однако церковь традиционно называли Климентовской.
Замоскворечье стало купеческим, то есть изменило свой облик после того, как Пётр подавил в 1698 году стрелецкий бунт и стрельцов с семьями выселили из слобод Замоскворечья.
Деревянный храм, к тому времени получивший официальное название Знаменский, то есть Знамения Пресвятой Богородицы, простоял до 1756 года и пришёл в полную ветхость. К этому времени Замоскворечье представляло собой тихую «гавань» московского купечества. Основная торговля велась в «большом городе». А здесь, за рекой, текла домашняя жизнь.
Новый каменный храм возводился на средства предпринимателя, коллежского асессора Козьмы Матвеевича Матвеева. В приходе Свято-Климентовского храма этот именитый московский купец имел огромную усадьбу.
Церковь возводилась как храм Знамения Пресвятой Богородицы с двумя приделами: южным – «Климента, папы римского», северным – во имя иконы «Неопалимая Купина». В феврале 1758 года был освящен Свято-Климентовский придел Знаменской церкви.
Но через четыре года «доброхотный и боголюбивый вкладчик» Козьма Матвеевич Матвеев обратился к Московскому митрополиту с просьбой разрешить вместо «настоящей каменной церкви во имя Знамения Пресвятой Богородицы» построить на том же месте «обширную каменную». Московская Духовная консистория перестройку разрешила.
Строительство продолжалось восемь лет. В 1770 году был освящен новый обширный престол во имя Преображения Господня. Так по главному престолу новый храм стал именоваться Преображенским. Но даже в официальных документах гораздо чаще встречалось его древнее, исконное название – Климентовский.
Он стал украшением не только Замоскворечья, но и всей древней столицы. По описи, проведённой в 1770–1771 годы, уникальное творение неизвестного зодчего оказалось в числе пяти «наилучших во всей Москве» храмов.
Удивительно, но авторство этого шедевра барокко до сих остаётся невыясненным. Исследователи приписывали проект храма Варфоломею Варфолоемеевичу Растрелли, Алексею Петровичу Евлашеву, Савве Ивановичу Чевакинскому, Ивану Фёдоровичу Мичурину, Ивану Петровичу Жеребцову и другим. Многие историки считают, что наиболее убедительным кажется предположение об участии в разработке проекта замоскворецкой святыни, воплощенного позднее московскими мастерами, итальянского архитектора Пьетро Антонио Трезини (однофамильца знаменитого зодчего Доменико Трезини).
В 1770 году Козьма Матвеевич Матвеев пожертвовал храму большой колокол. Вдоль южной границы участка Свято-Климентовского храма на средства того же Матвеева были возведены богадельня, дома для духовенства и церковнослужителей.
После пожара 1812 года в Свято-Климентовской церкви оказалась «крыша повреждена, а внутри цела. Иконостасы и святыя иконы невредимы во всех приделах».
Об оригинальном по композиции и великолепно изготовленном иконостасе в описи церковного имущества говорилось: «Иконостас весь резной с колоннами самого лучшаго художества весь позлащен червонным золотом. Нижний ярус: местные иконы писаны самыми лучшими художниками на кипарисе, вообще, и весь иконостас писан при Императорской Академии Художеств».