‍Viaporin merilinnoitusta alettiin rakentaa vuonna 1748. Aikomuksista huolimatta ruotsalaisen arkkitehdin Carl Hårlemanin suunnittelema kirkko jäi rakentamatta, koska linnoitusten valmistumista pidettiin ensisijaisena. Susisaaren linnoituksissa oli kuitenkin tila kirkkosalille, ja matkailijoiden päiväkirjamerkinnöissä mainitaan vuonna 1785 saaren puinen kirkko.

Ruotsin menetettyä sodassa 1809 Viaporin ja koko Suomen Venäjälle virisivät kirkon rakennussuunnitelmat uudelleen. Kun Carl Ludvig Engelin klassinen kirkkosuunnitelma jäi liian kalliina toteutumatta, antoi keisari Nikolai I vuonna 1836 tehtävän pietarilaiselle arkkitehdille Konstantin Thonille. Samoihin aikoihin Thon suunnitteli myös Kristus Vapahtajan kirkkoa Moskovaan. Venäläisen varuskunnan käyttöön tarkoitettu ortodoksikirkko valmistui ja vihittiin käyttöön vuonna 1854. Kirkon tieltä jouduttiin siirtämään muun muassa oluttehtailija Nikolai Sinebrychoffin kapakka.

Suomenlinnan kirkko omistettiin ruhtinas Aleksanteri Nevskin muistolle. Vihkimisvuonna tuli kuluneeksi 600 vuotta siitä, kun Nevski torjui roomalaiskatoliset ristiretkeläiset luoteis-Venäjällä.

Varuskuntakirkosta kaikkien kirkoksi

Alun perin kirkko palveli Viaporin venäläistä varuskuntaa. Suomen itsenäistyttyä alettiin pitää epäsopivana, että kaupunkiin mereltä tulevia tervehtivät ensimmäisinä venäläistyyliset liekkikupolit, ja kirkko muutettiin luterilaiseksi.

Arkkitehti Einar Sjöströmin 1928 laatiman suunnitelman mukaan pääkupolin sipuli poistettiin ja torni rakennettiin nelikulmaiseksi. Sisäpuolelta kupoli säilyi pyöreänä. Pikkukupolien kannat jätettiin vesikaton alle. Holvatut, kaarimaiset ulokkeet, kokoshnikit, ja muu ortodoksikirkon ornamentiikka poistettiin, ja seinät rapattiin sileiksi. Alkuperäinen sisustus luovutettiin Suomen ortodoksiselle kirkolle.

Alkuun kirkko palveli luterilaisena varuskuntakirkkona, kunnes puolustusvoimat luovutti rakennuksen Helsingin evankelisluterilaisille seurakunnille vuonna 1960. Arkkitehti Veikko Leisténin suunnittelemien laajojen korjausten jälkeen kirkko vihittiin uudelleen käyttöön helmikuussa 1964. Kirkon krypta remontoitiin seurakuntatoimintaa varten 1987.

Kirkon tornissa toimii yhä laiva- ja lentoliikennettä palveleva majakka. Majakkalyhdyn viesti on neljä peräkkäistä väläystä eli morseaakkosten H-kirjain, Helsingin mukaan. Kirkkomajakoita on kristikunnassa tiettävästi vain kolme.

Ruotsalaisaikaisista tykinputkista ja salmien sulkemiseen käytetyistä ketjuista 1850-luvulla pystytetty aitaus ympäröi yhä kirkkoa. Itsenäistymisen jälkeen sisäänkäyntiä reunustavien tykkien päälle kiinnitettiin Suomen vaakunaleijonat. Kirkon sivustalla erillisessä tapulissa sijaitseva kirkonkello on Suomen suurin. Se on valettu vuonna 1885 Moskovassa ja painaa 6683 kiloa.

Kirkossa on vuosina 1939–1940 käydyn talvisodan ja jatkosodassa 1941–1944 kaatuneiden rannikkopuolustajien muistomerkit. Suomen merivoimien palveluksessa kaatuneiden virolaisten muistomerkki paljastettiin vuonna 1996.

Kirkkotekstiilit on suunnitellut tekstiilitaiteilija Eija Arminen. Punaiset ja valkoiset kirkkotekstiilit uusittiin muutama vuosi sitten, ja ne on suunnitellut näyttelyartesaani, teologian ylioppilas Saija Kainulainen. Ompelutyön teki tekstiilitaitelija Nanni Clusker.

Keraamiset ehtoollisvälineet ja vihkiryijy ovat saarella asuvien taiteilijoiden suunnittelemat ja valmistamat, ehtoollisvälineet Soile Paasosen ja vihkiryijy Lilli Unkarin. Adventtiaikana kirkkosalissa on suomenlinnalaiseen ympäristöön sijoitettu keraaminen Minna Hanhivaaran seimiasetelma.

Suomenlinnan kirkon aiemmat urut olivat Kangasalan urkutehtaan vuonna 1963 valmistamat, ja uruissa oli 13 äänikertaa. Vuonna 2021 urut uudistettiin ja nyt käytössä olevan itävaltalaisen Köglerin urkutehtaan valmistamissa uruissa on 20 äänikertaa.

Alkuun Suomenlinnan alue kuului Johanneksen seurakuntaan. Seurakuntaliitosten myötä kirkko siirtyi vuonna 1999 Tuomiokirkkoseurakunnan käyttöön.