Храм Гроба Господня был заложен императрицей Еленой, матерью императора Константина. Строительством руководил Макарий Иерусалимский, который совместил конструкцию строящегося храма с частично сохранившейся Вифлеемской базиликой.
Храм был освящен 17 сентября 335 года в присутствии представителей духовенства разных стран и самого императора Константина Великого. Здание представляло собой целый комплекс сооружений, покрывавших собой Голгофу и место, где был обретен крест Животворящий. Храмовый комплекс состоял из базилики, мавзолея кругообразной формы (Анастасиса) и собственно храма Гроба Господня. Во время персидской экспансии в 7 веке храм Гроба Господня был сильно поврежден, но восстановлен на средства жены персидского царя – христианки Марии, а также при помощи императора Ираклия.
В 1009 году по приказу халифа Эль-Хакима в Иерусалиме, а также на прилегающих к нему территориях, были совершенны антихристианские погромы, в ходе которых было убито огромное число христиан и разрушено множество христианских храмов. Мусульманскими фанатиками была уничтожена часть храмового комплекса Гроба Господня, в том числе знаменитая базилика. На средства императора Константина VIII разрушенные постройки были отстроены заново, но уже не блистали былым великолепием. Антихристианские погромы породили слухи, что в ходе них был разрушен храм Гроба Господня. Во многом эти слухи спровоцировали начало Крестовых походов.
Храм Гроба Господня множество раз достраивался и реконструировался, в 1997 г. была завершена последняя на сегодняшний день реставрация кровли храма.