W 1862 została podjęta zbiórka pieniędzy na potrzeby wzniesienia cerkwi prawosławnej w popularnym wśród zamożnych Rosjan uzdrowisku w Karlowych Warach (ówcześnie Karlsbad). Jej inicjatorką była wielka księżna Elena Pawłowna Romanowa. Działkę budowlaną przekazała nieodpłatnie rada miejska, wśród ofiarodawców było wielu przedstawicieli najbardziej znacznych rodów rosyjskich. Mimo tego Rosjanie nie zdołali zebrać potrzebnej liczby pieniędzy i na wyznaczonym miejscu swoją świątynię wzniosła ostatecznie wspólnota anglikańska. Wobec tego wspólnota prawosławna w Karlowych Warach uczestniczyła w nabożeństwa organizowanych sezonowo w cerkwi domowej. Szybko stała się jednak ona za mała dla potrzeb wszystkich wiernych.
Ostatecznie prace budowlane rozpoczęły się w 1893. Budynek zaprojektował K. Uchtomski, pracami kierował Gustaw Wiedermann. Cerkiew została poświęcona 9 czerwca 1897. Już sześć lat później konieczny był częściowy remont obiektu i pokrycie jego kopuł miedzią. W czasie I wojny światowej obiekt został zamknięty, zaś po jej zakończeniu działał jedynie w miesiącach letnich, obsługiwany przez kapłanów z cerkwi w Pradze.
W latach 1948–1950 przy cerkwi działało seminarium duchowne. W 1951, po uzyskaniu autokefalii przez Kościół Prawosławny Czechosłowacji, cerkiew przeszła pod jego jurysdykcję. W latach 70. była remontowana. W 1979 obiekt ponownie trafił pod jurysdykcję Rosyjskiego Kościoła Prawosławnego.
