Проект здания разработали архитектор Владимир Дмитриевич Глазов и инженер С.М. Фоминский; храм задуман в неорусском стиле с использованием как византийских, так и новгородско-византийских мотивов. Строительными работами руководил архитектор Сергей Михайлович Ильинский.
14 (27) июля 1924 года Божественную литургию в храме совершил святитель Тихон (Беллавин), Святейший Патриарх Московский и всея России.
В 1925 г. был создан город Лосиноостровск (в 1939 г. он переименован в Бабушкин), и Адриано-Наталиинский храм стал его частью. А в 1960 г., при строительстве МКАДа, храм вошёл в черту Москвы.