Одноглавая церковь на подклети, прямоугольная в плане, бесстолпная, с 5-гранной апсидой в стиле барокко Западный фасад, на котором раньше в центре была икона, выходит на Петровку. Стены снаружи декорированы сдвоенными пилястрами, главка прорезана узкими окнами и украшена волютами.
Из истории:
Церковь была построена в 1744—1750 годах между колокольней и Братским корпусом монастыря и освящена в честь Толгской иконы Божией Матери. Список Толгского образа был выполнен в 1740-х годах Иваном Андреевым. В ХХ веке икона была забрана из монастыря и сейчас находится в запасниках Государственного исторического музея.
Проект храма принадлежит, предположительно, И. Ф. Мичурину или его ученику. Церковь построена на средства статс-дамы Н. А. Нарышкиной, родственницы Петра I по материнской линии.
Церковь была заложена в день празднования в честь этой иконы, так как 8 августа по старому стилю, Пётр I спасся в стенах Троице-Сергиевой Лавры от стрелецкого бунта 1689 года.
1926 г. - советские власти осквернили и разорили храм, сначала в нем располагались коммунальные квартиры, затем склад Росизопропаганды.
Отреставрирована Б. П. Дедушенко.
Заново освящена 10 октября 1999 года малым чином.
10 октября 2019 года храм Толгской иконы был заново освящен, чин великого освящения совершил архиепископ Каширский Феогност (Гузиков)