Храм был заложен в 1649 году после пожара, уничтожившего предыдущую деревянную церковь Рождества Богородицы, и завершён строительством в 1652 году при царе Алексее Михайловиче.
Как отмечал А. В. Чаянов, название «в Путинках» одни авторы связывали с тем, что рядом с церковью находился Путевой посольский двор, в котором останавливались европейские послы, прибывавшие в Москву (как правило через Новгород по Тверской дороге); другие — что церковь находилась на «путях» в Дмитров и другие северные города — в разные времена к названию храма прибавлялось «что за Тверские ворота на Дмитровке», «на старом Посольском дворе, в Путинках», пока не устоялось современное название.
Церковь была построена из специально формованного кирпича и включала в себя: вытянутый с севера на юг четверик, увенчанный тремя шатрами, пониженный прямоугольный алтарный объём, кубообразный придел Неопалимой купины, увенчанный завершением в виде шатрика на барабане, двухъярусную колокольню и небольшую трапезную, примыкавшую к четверику церкви с запада.
После завершения строительства храма, в 1653 году, Патриарх Никон прекратил строительство шатровых храмов на Руси. Таким образом, церковь Рождества Богородицы в Путинках является одним из последних шатровых каменных храмов в Москве.
Сложность и дробность архитектурного решения храма усиливались наружной росписью и разноцветной черепицей. В 1897 году была проведена реставрация церкви архитектором Н. В. Султановым.
Следующая реставрация проводилась в 1957 году.
Реставрацией руководил архитектор Н. Н. Свешников. Работы велись при постоянном контроле Академии архитектуры в лице члена-корреспондента академии Д. П. Сухова. Реставрация имела высочайшую оценку Академии архитектуры.
В 1935 году храм был закрыт. После закрытия в церковном здании были устроены конторские помещения, а затем репетиционная база московской дирекции «Цирк на сцене», где до лета 1990 года дрессировали собак и обезьян.