Пётр I заложил церковь во имя святого Сампсония Странноприимца в 1710 году. В день празднования памяти этого святого, 27 июня 1709 года, произошла Полтавская битва, в которой шведские войска потерпели поражение от русской армии.
Первый храм был деревянным, его перестроили в 1728-1740 годах. По предположениям, автором проекта стал архитектор Джузеппе Трезини. Некоторую сумму на проведение работ выделил купец из Ярославля Иван Лапшин, но когда деньги кончились, недостающие средства выделила казна. Храм построен возле Выборгской дороги, которая вела в сторону территории Шведского королевства.
В 1740 году завершилось и строительство колокольни, автор её проекта остался неизвестным. Она разделена на три яруса, в нише последнего имеется звонница с колоколом XVIII столетия. В 1909 году на территории собора построили часовню по проекту архитектора А.П. Аплаксина.
В 1938 году Сампсониевский собор закрыли, в нём стал работать магазин готового платья. После окончания Великой Отечественной войны церковь перешла в ведение Библиотеке Академии наук, позже — Оптово-закупочной базы Ленгорунивермага. С 2000 года храм работал как музей и был частью музейного комплекса «Исаакиевский собор», а в 2017 году его передали Русской православной церкви. Богослужения в будние дни начинаются в 09:00, в субботу и воскресенье — в 10:00 и 17:00. Неподалёку находится станция метро «Выборгская».
