Поблизу братської могили воїнів московської армії у 1856 році за проєктом Й. Шарлеманя була зведена Сампсоніївська церква - невелика, цегляна, прямокутна у плані, з п’ятьма главами, простої архітектури. Кілька разів її реконструювали: у 1895 році та у 1909 під час підготовки до 200-річчя Полтавської битви. Під час другої реконструкції під керівництвом єпархіального архітектора С. Носова була добудована вхідна частина із дзвіницею. Стіни, склепіння стелі та внутрішні поверхні центрального барабану бані було вкрито суцільним шаром високохудожніх декоративно-рослинних та сюжетних розписів, виконаних у стилі В. Васнецова його учнями. Дерев’яний іконостас замінено на мармуровий, одноярусний. Його колони виготовлені з оніксу та прикрашені нефритовими кільцями.
Церква була діючою до 1930 року (із 1925 року УАПЦ). Після припинення в ній богослужінь розібрали надбрамну дзвіницю. У роки нацистської окупації Полтави церкву знову відкрили, але вже 1949 року її зняли з реєстрації. Приміщення передали музею «для влаштування панорами Полтавської битви», але тривалий час тут розташовувався склад управління кінофікації, де зберігалися старі або непотрібні кіноплівки. На початку 90-х років ХХ століття Сампсоніївську церкву повернули православній громаді.
Розписи храму виконували учні Васнєцова, мармуровий іконостас з вкрапленням оніксу виконала відома фірма "Менціоне".