Документов об авторе церкви не сохранилось, но предполагается, что общий проект (композицию) составлял сам заказчик, некоторые искусствоведы с советского периода считали автором церкви Якова Бухвостова, хотя стилистические особенности храма заметно отличаются от достоверных произведений Бухвостова[2], зато обнаруживают поразительное сходство с произведениями гипотетического зодчего Петра Потапова[2] — предполагаемого создателя ансамбля Новодевичьего монастыря в Москве и церкви Успения на Покровке.
Храм Покрова в Филях — пятиярусный центрический храм, построенный в стиле «Нарышкинского» барокко. Здание храма с четырёхлепестковым планом двух нижних ярусов опоясано в уровне подклета аркадой гульбища. К нему с трёх сторон ведут три широких открытых крыльца. Одно здание совмещает в себе зимний и летний храм и колокольню. Колокола висят в пролётах верхнего, пятого яруса.
На первом этаже (подклеть) находился зимний (отапливаемый) храм Покрова Пресвятой Богородицы, а над ней храм Спаса Нерукотворного, который назван в благодарность за спасение Льва Нарышкина от смерти во время стрелецкого бунта (он молился перед этой иконой во время бунта). Пётр I пожаловал на украшение храма четыреста червонцев. В 1703 году Пётр I после взятия Нарвы привез дяде в подарок для его церкви цветные витражи. В знак близости хозяина к царю центральная и западная главы храма украшались короной и двуглавым орлом. По преданию, в этом храме неоднократно бывал царь Пётр I.
Позднее около церкви был разбит регулярный парк.
Автором резного убранства храма и иконостаса был Карп Золотарёв. В лике архидиакона Стефана, написанном на вратах жертвенника, некоторые исследователи усматривают черты лица молодого Петра I.
Первоначальный интерьер нижней церкви не сохранился: многое погибло во время Отечественной войны 1812 года, когда солдаты Наполеона устроили там конюшни; в верхнем этаже ими была устроена швальня (полковая портняжная мастерская).
В июле 1941 года храм был закрыт, последняя служба в котором прошла 12 июля. Тогда же были сняты купола, и разобран верхний восьмерик, чтобы воспрепятствовать немецким наводчикам использовать церковь для наведения орудий. В целях маскировки от авианалётов были разобраны главы и верхний ярус, но все же зажигательные бомбы попали в него.
До 1943 года нижний храм использовался как лазарет, затем, до 1963 года, как склад бумажных изделий. В 1955 году началась реставрация храма, которая завершилась в середине 1980-х годов.
Большую роль в спасении памятника сыграли реставраторы Е. В. Михайловский и И. В. Ильенко.
С 1990 года община верующих добивалась открытия храма для богослужения[3]; первое богослужение (молебен) в нижнем Покровском храме, который не представляет особой художественной ценности, было совершено 14 октября 1992 года. В верхнем же храме оставлен музей под предлогом сохранения исторического памятника. 26 сентября 1994 года был назначен настоятель прихода иерей Борис Михайлов[3], но регулярные богослужения не возобновились.
После многолетних, в том числе и судебных, споров, 28 марта 2000 года правительство издало распоряжение № 464-р о совместном использовании храма[3]; в нижнем храме возобновились регулярные (по праздникам) богослужения.
В настоящее время иконостас, многие иконы, настенная роспись относятся к XIX веку. Первоначальный иконостас нижней церкви не сохранился, его трижды меняли в разное время.
Из первоначального сохранилось: храмовая икона «Покров Богородицы», икона «Трёх радостей» и другие. Дубовый престол — один из древнейших сохранившихся престолов.
На сводах сохранились фрагменты росписей конца XVII и XIX веков.