Это ровесник Петербурга и первый в городе храм-памятник военной победе: его построил сам Пётр I в честь Полтавской битвы, и вся дальнейшая судьба проспекта и квартала выросла вокруг этого места.

Полтавское сражение произошло 27 июня (8 июля) 1709 года — в день памяти преподобного Сампсона Странноприимца, покровителя странников. Петр увидел в этом совпадении знак и повелел на Выборгской стороне, у дороги на Выборг, поставить церковь в честь «Полтавской виктории». Царь лично участвовал в закладке в конце ноября 1709 года, и уже в 1710-м храм освятили.

В 1711 году по приказу Петра при храме устроили первое общегородское кладбище — до этого мертвецов хоронили при домах и приходских церквях. Логика была проста: горожане в основном приезжие, а Сампсоний — покровитель странников.

К 200-летию Полтавской битвы при храме создали юбилейный комитет, и в 1908–1909 годах под руководством того самого Андрея Аплаксина (автора храма Анны Кашинской в двух кварталах отсюда) прошла масштабная реставрация: разобрали поздние пристройки, соединявший колокольню с храмом переход и часовню, заново отделали фасады и интерьеры, построили «Юбилейный домик» для ризницы и библиотеки, а на колокольне закрепили чугунные доски с текстами петровских речей под Полтавой. По указу Николая II церковь впервые получила статус собора.

5 февраля 2017 года собор передали Петербургской епархии РПЦ в пользование на 49 лет — при этом иконы остаются закреплёнными за музеем. К 300-летию храма (2009) у стен установили стелу в память о захоронениях кладбища XVIII века.