Проект храма в память рождения Его Императорского Высочества Наследника Цесаревича Великого князя Алексия Николаевича был заказан епархиальному архитектору А. П. Аплаксину (1879 – 1931). По проекту храм с часовней и колокольней, выходящими на Большой Сампсониевский проспект, соединялся своей северо-восточной частью с жилым флигелем во дворе и образовывал единый архитектурный комплекс подворья Кашинского Сретенского женского монастыря Тверской епархии.
Строительство двухэтажного храма с двумя престолами началось в сентябре 1907 года на месте Никольской часовни, сооруженной в 1894 году в память чудесного спасения будущего императора Николая II в Японии. Уже в ноябре 1907 года была освящена вновь построенная часовня. А в феврале 1908 года освящён нижний храм с престолом во имя Спаса Нерукотворного. После восстановления церковного почитания святой благоверной княгини Анны Кашинской главный престол храма освятили во имя Анны Кашинской. Верхний придел двухэтажного храма освятили в 1911 году во имя Святителя Христова Николая Чудотворца и во имя Святителя Алексия митрополита Московского, чудотворца.
Вновь построенные стройная ярусная колокольня, двухъярусная Никольская часовня, храм, жилой флигель с прилегающим к ним земельным участком со службами, обнесенными каменной оградой, образовали на Выборгской стороне девичий скит.
Храм благоверной великой княгини Анны Кашинской относится к сооружениям неорусского стиля. В композиции и пропорциях объёмов, формирующих внешний облик храма, А. П. Аплаксин использовал прообразы древней новгородско-псковской архитектуры. В декоративно-художественное оформление фасадов включены элементы московско-ярославского зодчества - такие, как майолика и росписи, но в характерной для модерна трактовке. Майоликой, исполненной в мастерской П. К. Ваулина, был декорирован переход к луковичной главке на барабанах храма и колокольни. Росписи размещались в арочных нишах. Крыльцо главного входа, ныне утраченное, было оформлено в виде традиционного рундука с двойной аркой и гирькой, с купольным завершением, увенчанным императорской короной, что подчеркивало посвящение храма царской фамилии.
Ядром композиции является четырехстолпный храм с тремя полукруглыми алтарными апсидами. Симметрично от входа расположены часовня и колокольня. В храме Анны Кашинской были расположены один над другим три престола, что уникально не только для Петербурга, но и для всей России. Особенностью планировки является обращение главного алтаря и алтаря верхнего придела в общий объём церковного зала. Другой особенностью являются хоры, устроенные с четырех сторон кругом храма. На восточных хорах, ныне утраченных, и был освящен придел в честь царской фамилии, который ещё предстоит восстановить. Выделяясь таким образом среди других храмовых сооружений, храм Анны Кашинской является памятником архитектуры начала XX века.
После 1917 года храм был зарегистрирован как приходской, а после 1933 года закрыт и подготовлен к уничтожению. Наиболее почитаемые иконы святой Анны Кашинской и Черниговской Божией Матери переданы в Сампсониевский собор. Майоликовый фриз С. В. Чехонина, выполненный в керамической мастерской П. К. Ваулина, демонтирован и ныне находится в Музее истории города. С 1939 по 1994 год в храме размещались мастерские изокомбината. Два последних из них года храм стоял в запустении, а 15 марта 1994 года был возвращен С.-Петербургской Епархии в аварийном состоянии: без куполов и крестов, с выбитыми стеклами, без электричества, с выведенными из строя инженерными системами, с затопленным нижним храмом. В таком виде храм был передан Введено-Оятскому женскому монастырю, подворьем которого он ныне и является.
С 1995 года в храме проводятся восстановительные работы: были разобраны поздние перекрытия и колонны, цементные полы, демонтированы лифт и санузлы в алтаре, приведена в порядок кровля, восстановлены деревянные полы, заново смонтировано центральное отопление, завершены работы по восстановлению глав на барабанах храма, колокольни и часовни. 21 ноября 1996 года в день празднования Собора Архистратига Михаила над храмом был установлен последний из трёх ранее поднятых крестов. С октября 1997 года к разработке проекта реставрации храма привлечен институт "Ленпроектреставрация". Под руководством главного архитектора проекта А. Г. Леонтьева восстановлены алтарная часть храма, заканчивается полная реставрация Никольской часовни. В 1995 году на Рождество Христово в храме была совершена первая после шестидесятилетнего перерыва литургия.
Святынями храма ныне являются выполненный в период с 1996 по 1999 год запрестольный витраж "Богоматерь Оранта - Великая Панагия" (художник В. Таракановский); икона святой Анны Кашинской с частицей её мощей, принесённая в дар храму; Софринская икона Архистратига Михаила.
Дальнейшее восстановление храма требует крупных капитальных вложений. Речь идет прежде всего об осушении находящегося в аварийном состоянии нижнего храма во имя Спаса Нерукотворного и восстановлении его в первоначальном виде.
