Здание Пантелеймоновской церкви — один из немногих в Санкт-Петербурге памятников русской культовой архитектуры 1730-х годов. Проект церкви был разработан, по-видимому, архитектором Адмиралтейской коллегии И. К. Коробовым. Церковь входила в комплекс сооружений Партикулярной верфи. Она построена в 1735–1739 годах в память побед русского флота при Гангуте и Гренгаме.
В начале нынешнего столетия на фасаде здания установлены мемориальные доски, отмечающие эти события.
Здание сохраняет характерные черты зодчества первой половины XVIII века: плоскостную обработку фасадов пилястрами дорического ордера, фигурный фронтон над алтарной абсидой, барочные завершения восьмигранного барабана, перекрытого граненым куполом с луковичной главкой, и колокольню со шпилем. Отделка церковного зала с восемью колоннами композитного ордера, облицованными искусственным мрамором, роспись на стенах и мраморные барельефы на фасаде работы скульптора А. В. Логановского относятся к XIX столетию, так же как и пристройки, выполненные архитектором В. Беретти.
В 1954 году реставрированы мемориальные доски на фасаде церкви, содержащие перечень воинских частей, участвовавших в победе при Гангуте.