В 1903 году по ходатайству причта Благовещенской церкви в Старой Деревне епархией были приобретены земли севернее полотна железной дороги для организации на них нового городского кладбища. 25 июля 1906 года была произведена закладка храма во имя преподобного Серафима Саровского. По имени церкви и кладбище получило наименование Серафимовского. К концу октября здание было уже построено; проект его исполнил А.Ф. Барановский при участии епархиального архитектора Н.Н. Никонова. Внешний облик здания определяют шатровые крыши церкви и колокольни, резные подзоры кровли, точеные столбы крылец. Одновременно с главным престолом храма 1 марта 1907 года протоиереем Н.А. Травинским были освящены также два придела: южный - во имя Святой Мученицы Царицы Александры и северный - Покрова Пресвятой Богородицы. Дубовый иконостас прекрасной работы для церкви пожертвовал купец А.А. Николаев, а 11 образов для иконостаса - М.Н. Колчин. Близ правого клироса главного придела была помещена главная святыня храма - образ преподобного Серафима Саровского с частицей его мощей, мантии и гроба, а также камня, на котором он молился тысячу дней и ночей.
В годы Первой мировой войны на Серафимовском кладбище хоронили солдат и офицеров, погибших на фронтах и в госпиталях Петрограда. Левее Царских врат главного алтаря на специальном столбе и ныне висит мемориальная латунная доска с образом Святителя Николая Чудотворца в память 136 солдат и офицеров 36-го Орловского пехотного полка, погибших в октябре 1914 года в боях на реке Сан, с надписью: "Нет выше той любви, когда кто положит душу свою за друзей своих. Вечная память".
В послереволюционные годы оставалась действующей, до 15 декабря 1923 года она была приписана к Благовещенской церкви, а затем стала самостоятельной. Она являлась одной из немногих в Ленинграде церквей, которые были открыты и в годы блокады. Храм не работал лишь с 22 января по апрель 1942 года, когда в нем складывали трупы умерших от голода Ленинградцев. В период блокады на Серафимовском кладбище было погребено около 100 тысяч погибших горожан. В 1957-1965 годах по проекту архитектора Я.Н. Лукина и группы скульпторов под руководством Р.К. Таурита справа от входа на кладбище, над местом захоронения погибших в годы блокады, был создан мемориальный ансамбль.
С 15 декабря 1923 года до 2 октября 1937 года Серафимовская церковь принадлежала группе "Живая церковь", затем до закрытия в январе 1942 года была обновленческой, а 28 апреля 1942 года открылась уже принадлежащей к Московской Патриархии. В послевоенные годы в храм были переданы образа из закрытой Благовещенской церкви, в том числе очень чтимый прихожанами образ Смоленской Божией Матери, привезенный в Петербург при императоре Петре I смоленскими работными людьми, строившими новую столицу. Внутреннее убранство церкви почти за век сохранилось без каких-либо изменений.
В 1987 году над входом в Серафимовскую церковь были помещены три мозаичных образа Преподобного Серафима Саровского. В 2000 году были позолочены луковицы куполов храма, в 2002 году выполнен ремонт фасадов.