В первой четверти XVII в. Дубровицы принадлежали роду Морозовых. Боярин Иван Васильевич перед смертью принял монашеский постриг с именем Иоаким, а его вотчина перешла к дочери.

Ксения Морозова вышла замуж за князя Ивана Андреевича Голицына. По заказу супругов в 1662 г. был поставлен новый деревянный храм.

С 1688 г. владельцем села стал князь Борис Алексеевич Голицын. После окончания недолгой опалы, Голицын в знак примирения с Петром I решил построить новый каменный храм в Дубровицах на месте крепкой еще деревянной церкви. Царь одобрил это решение такими словами: «Хоть человек ты богатый, а казной и я помогу». Деревянный Ильинский храм был разобран и перенесен в село Лемешово для кладбища. Храмоздатель по рекомендации Петра I пригласил итальянского архитектора. Имя его остается загадкой до нашего времени.

Молебный чин на основание храма совершен во вторник, 22 июля 1690 г., в присутствии государя. Предполагалось посвятить храм новгородскому образу Пресвятой Богородицы «Знамение». Церковь возводили иностранные мастера и русские крепостные. Местный камень для строительства добывали жившие в долине реки Пахры потомственные каменотесы. Работы по возведению храма велись только летом. Во время строительства неоднократно приезжал в Дубровицы и Петр I.

Церковь была готова уже к 1697 г., однако Патриарх Адриан разрешения ее освятить не дал: хотя в архитектуре храма прослеживались традиции древнерусского зодчества, в целом он оказался построенным в духе подражания западным, католическим образцам.

Здание храма приподнято на высоком цоколе, вокруг него проходит открытое гульбище с парапетом. Резное узорочье еще сохраняло влияние внешнего убранства древнейших храмов Суздаля и Владимира. Но в то же время храм изобиловал скульптурными изображениями, отражавшими влияние европейского барокко XVII в. Уже при входе русского богомольца встречали не иконы, а статуи святителей Григория Богослова и Иоанна Златоуста. Их дополняло расположенное на крыше такое же изображение Василия Великого. По углам цоколя находились скульптуры четырех евангелистов, вокруг башни — двенадцати апостолов. Много рельефных изображений и в интерьере. В храме имелись чуждые православной традиции образцы католической иконографии.

Храм освятил уже после смерти Патриарха Адриана митрополит Стефан (Яворский) 11 февраля 1704 г., в присутствии Петра Великого, царевича Алексея, многих светских и духовных особ. Царь внес богатый подарок: дорогостоящую церковную утварь. Через несколько лет князь Борис Алексеевич принял постриг с именем Боголеп во Флорищевой пустыни и вскоре отошел к Господу.

Позже в Дубровицах построили колокольню, княжеский дворец и конный двор.

С 1781 г. Дубровицами владел князь Григорий Александрович Потемкин-Таврический. Императрица Екатерина II приобрела у него Дубровицы и подарила своему флигель-адъютанту Александру Матвеевичу Дмитриеву-Мамонову.

В 1848—1850 гг. провели реставрацию Знаменского храм в Дубровицах на средства, выделенные из казны по распоряжению императора Николая I. Работами руководил архитектор Рихтер. Тогда позолотили резьбу, корону и крест, подновили скульптуру, латинские надписи заменили на русские. 27 августа 1850 г. святитель Филарет, митрополит Московский, в присутствии московского генерал-губернатора вновь освятил храм. С того времени службы возобновились, но совершались только в теплое время года, так как здание никогда не отапливалось.

В 1864 г. Дубровицы вернулись к князьям Голицыным.

После 1917 г. усадьба была разорена. В 1930-х гг. церковь уже не действовала. Здание и его внутреннее убранство разрушались. Фундамент церкви осел в результате взрыва колокольни в 1932 г. В 1947 г. в голицынском дворце разместился Всесоюзный научно-исследовательский институт животноводства, а в здании храма — его склады. Храм пришел в аварийное состояние.

Первая за последние 60 лет Литургия была совершена 14 октября 1990 г. Ее возглавил епископ Можайский Григорий. В храме проводятся сложные восстановительные работы. 
Церковь включена в «Список Всемирного наследия» ЮНЕСКО.