Церковь св. Пантелеймона входила в комплекс сооружений Партикулярной верфи. Деревянная часовня существовала здесь с 1718 года. Через несколько лет ее сменила мазанковая церковь, возведенная в память о победах русского военно-морского флота при Гангуте (1714) и Гренгаме (1720). Проект нового каменного храма составил, по всей видимости, архитектор Адмиралтейств-коллегии И. К. Коробов. Церковь была построена в 1735—1739 годах.
Здание во многом следует традициям архитектуры петровского времени. Фасады обработаны пилястрами, над полукруглой алтарной апсидой устроен фигурный фронтон. Средняя часть храма завершается высоким куполом на восьмигранном барабане. Колокольня также увенчана куполом и небольшим шпилем.
Первоначальное внутреннее убранство церкви не сохранилось. Существующая отделка стен церковного зала, так же, как и мраморные барельефы на фасадах (скульптор А. В. Логановский) относятся к XIX веку.