1) Начало

Первоначально храм Лейб-гвардии  2-го Стрелкового Царскосельского батальона был сооружён в деревянном здании казармы на Павловском шоссе  усердием командира батальона князя Александра Ивановича Барятинского.

Освящение церкви  состоялось в 17 (29) апреля 1857 года. В 1863 году батальон был переведён в Варшаву, а здание церкви впоследствии было передано 1-му лейб-гвардии стрелковому батальону.

2) Второе здание

После возвращения в 1871 году в Царское Село батальон был размещён в зданиях бывших провиантских магазинов на Гатчинском шоссе. Богослужения для батальона стали совершаться в южном приделе  Софийского собора, а с  9 (21) июля 1879 года  -  в Никольской церкви соседнего с казармами стрелков Царскосельского военного госпиталя.

21 ноября (3 декабря) 1879 года в казармах батальона протопресвитером Иоанном Рождественским была освящена домовая церковь в честь преподобного Сергия Радонежского. Освящение было приурочено двухлетию дня победы батальона над турками под Араб-Канаком 21 ноября (3 декабря) 1877 года.

Устройству церкви особенно способствовали командир батальона полковник Ричард Троянович фон-Мевес и помощник ктитора купец Эраст Вайков. Церковь располагалась на втором этаже трёхэтажного здания казармы на Гатчинском шоссе (здание сохранилось: современный адрес Красносельское шоссе, 4). Однако храм был расположен очень неудобно: рядом с ним и сверху играли полковые музыканты; под двумя окнами церкви, обращенными на батальонный двор, находились выгребные ямы; под церковью была устроена хлебопекарня, запах которой проникал в храм, — всё это вызвало необходимость устройства отдельного здания для церкви.

3) Третье здание

21 августа (2 сентября) 1889 года протоиереем Феодором Павловичем был освящён новый каменный храм, выстроенный на Софийском плацу за счёт казны. Церковь располагалась в здании, где вместе с ней помещались учебный зал и цейхгауз. Рядом с храмом находилась временная деревянная звонница.

В 1903 году к зданию, по проекту архитектора Александра Глебовича Успенского, был пристроен отдельный алтарь с солеёй, а с улицы сделан вход под новой высокой каменной колокольней. Между храмом и учебным залом была устроена стена с аркой. Пристройка возводилась на пожертвования. Крупнейшим жертвователем был московский купец и промышленник С. А. Протопопов, которому командир полка исходатайствовал орден.

19 ноября (2 декабря) 1904 года церковь была освящена протопресвитером Александром Желобовским в присутствии Николая II, великих князей Владимира и Сергея Александровичей и великой княгини Марии Павловны. Ктитором церкви стал капитан П. В. Панпушко, а затем — капитан А. А. Стессель.

Впоследствии храм был отделён от учебного зала глухой каменной стеной с двустворчатой дверью.

«Прежде чем попасть в церковь, нужно было войти в большой манеж, в восточной стороне которого и был вход в церковь. А вообще церковь была очень близко от нас, и, в Пасхальную ночь, крест её, с электрическими лампочками, очень хорошо был виден из окон. Прихожанами её были не только солдаты и офицеры 2-го батальона, но и жители деревень Аракчеевки, Перелесина, водопроводной Орловской станции, живущие по близости сторожа… Церковь была очень уютная. Очень хорошо пел хор из солдат и кантонистов» (Андреев И. П. Детство дворцового мальчика. Воспоминания церковного старосты).

Внутренний вид храма поражал всех своей художественной отделкой и благолепием. Стены были расписаны фресками в стиле старинного суздальского письма XVI века, исполненного художником С.В.Чехониным. Нижний ряд икон был вставлен в рамы серебряной чеканной работы. На плоском потолке  голубого цвета со звездами находилось изображение Святой Троицы, а с углов спускались  четыре огромных светильника в виде ажурных чаш. За полукруглой аркой находился дубовый иконостас, иконы в котором были написаны в 1889 году К. А. Горбуновым. На колокольне храма  помещались 8 медных  колоколов, общим весом в 172 пуда (2867 килограммов), самый большой из которых весил 106 пудов 30 фунтов. По мнению современников, этот храм являлся одним из лучших творений архитектора  А.Г.Успенского. До революции жертвенник в алтаре был мраморным. На нём была установлена металлическая доска с именами убитых в битвах Русско-турецкой войны 1877—1878 годов: под Горным-Дубняком, Араб-Канаком и Филиппополем.

Под спудом храма был погребён строитель церкви генерал-майор С. И. Кутепов, скончавшийся 16 (29) сентября 1905 года. В 1915—1917 годах в усыпальнице были также похоронены некоторые воины полка, погибшие в Первую мировую войну. 

4) После революции

17 марта 1921 года церковь была закрыта, а утварь передана в храм бывшего лейб-гвардии 1-го стрелкового полка.

В годы Великой Отечественной войны здание церкви было сильно разрушено: остались несущие стены, без перекрытий, крыши и коммуникаций. В таком состоянии в 1972 году здание было передано на баланс автошколы № 2. Строительные работы продолжались семь лет и были окончены в 1980 году. 

Помещение храма подверглось изнутри капитальной перестройке. Колокольня была снесена, внутри было сделано межэтажное перекрытие. Убранство храма уничтожено. После развала СССР здание находилось в федеральной собственности, числилось на балансе Министерства транспорта. В западной части здания располагался Пушкинский учебно-курсовой комбинат автомобильного транспорта, на втором этаже — кафе. В храмовой части был устроен склад и лестничная клетка. Над алтарём устраивались дискотеки, а в пристройке к апсиде располагался туалет. Несмотря на то, что памятник состоял на учёте КГИОП, к концу 2000-х годов 30 % здания лишилось штукатурки, происходило разрушение кирпичной кладки. Мер по его сохранению собственник и арендаторы не предпринимали

5) Возрождение

В 2009 году образовалась инициативная группа верующих, которая стала добиваться возвращения Русской Православной Церкви того, что осталось от храма. Несколько лет велись напряжённые переговоры о передаче храма. 11 октября 2010 года у стен полуразрушенного храма Сергия Радонежского состоялся первый массовый молебен преподобному Сергию. Внешне стояние выглядело как акция протеста неравнодушных жителей города, прихожан этой церкви и представителей духовенства действиям владельцев здания, превратившим храм в увеселительное заведение. Жители города Пушкина требовали восстановления храма, сноса пристроек, запрета аренды помещений и приведения в порядок места захоронения русских воинов-героев  Первой мировой войны на прихрамовой территории. Активисты направили обращения официальным федеральным и региональным властям с просьбой о помощи. Среди участников молебна-акции был петербургский актёр Алексей Нилов.

21 сентября 2012 года храм был официально возвращён Русской православной церкви. Работы проводила компания «БалтСтрой», наблюдение и содействие восстановлению оказывал созданный Попечительский совет, который возглавил С. В. Лавров. 8 октября 2012 года, в престольный праздник, в бывших помещениях храма прошло первое богослужение. К началу октября 2014 года основные работы по восстановлению здания были закончены, и отреставрированном храме прошли первые богослужения: 7 октября — всенощное бдение, 8 октября — Божественная Литургия.

8 декабря 2014 года храм был торжественно освящён Патриархом Московским и всея Руси Кириллом. В тот же день состоялось торжественное открытие Духовно-просветительского центра в присутствии Президента Российской Федерации В. В. Путина.

7 июля 2015 года восстановленный храм преподобного Сергия Радонежского был занесён в «Белую книгу» Всемирного клуба петербуржцев.

При храме открылся Духовно-просветительский центр Царскосельского благочиния

6) Убранство и святыни

Первоначально храм внутри был расписан художником С. В. Чехониным фресками в древнерусском стиле. При восстановлении церкви был сохранён стиль её росписи на основе сохранившихся изобразительных материалов. Стены декорированы растительным орнаментом, выдержаны в голубых тонах. Здесь же размещены четыре сюжета: на северной стене — «Благословение старцем отрока Варфоломея»; на южной — «Благословение преподобным Сергием Радонежским благоверного князя Дмитрия Донского на Куликовскую битву»; на алтарной арке слева — «Поклонение волхвов»; справа — «Явление воскресшего Христа Марфе и Марии».

Потолок также расписан в голубом фоне со звёздами. В его центре  расположен световой фонарь, а по углам висят четыре небольших паникадила. Образы располагаются в два ряда: верхние — в специальных нишах под потолком (по 6 на восточной и западной стенах и 3 — на северной); нижние — в киотах на уровне молящихся. Дубовый иконостас был восстановлен по образцу первоначального, иконы в котором были написаны в 1889 году К. А. Горбуновым. В алтаре — запрестольный образ Святой Троицы. Среди святынь храма в отдельном ковчеге хранится частица мощей преподобного Сергия Радонежского, переданная Царскому Селу в день освящения патриархом Кириллом. Над входом в храм находится колокольня, на которой расположены 7 колоколов.

На территории рядом с храмом в память о гвардейском стрелковом артиллерийском дивизионе установлена копия горной трёхдюймовой пушки. Перед западным фасадом здания ко дню освящения храма был установлен памятник  преподобному Сергию Радонежскому (скульптор В. В. Зайко).