В 1673—1679 годах была построена деревянная церковь во имя священномученика Артемона — небесного покровителя владельца села, боярина Артамона Матвеева.
История храма начинается в конце 1790-х годов, когда село Одинцово стало владением графини Елизаветы Зубовой. По её указанию рядом со старой ветхой деревянной церковью священномученика Артемона к осени 1801 года был построен каменный храм в стиле классицизма. Новая церковь была освящена во имя Гребневской иконы Божией Матери, и в неё была перенесена утварь со старой.
В 1812 году храм был осквернён французами, но на следующий год освящён заново. В 1898 году были пристроены трёхъярусная колокольня, трапезная и два придела: во имя Святителя Николая и преподобных Сергия Радонежского и Саввы Сторожевского.
После революции 1917 года в Гребневской церкви по-прежнему продолжалось совершение обрядов. Содержание и ремонт церкви были возложены исключительно на церковную общину. Ни об одном ремонте Одинцовского храма в советское время архивных документов не обнаружено[кем?]. В соответствии с постановлением ВЦИК от 23 февраля 1922 года из церковного имущества изъяты «все драгоценные предметы из золота, серебра и камней, изъятие которых не могло существенно затронуть интересы самого культа», которые должны были быть переданы в органы Наркомфина со специальным назначением в фонд Центральной комиссии помощи голодающим.
Гребневская церковь функционировала до 3 ноября 1937 года, после чего была закрыта. В советское время это здание использовалось как хозяйственный склад, в 1960 году было взято под охрану. Богослужения возобновились в марте 1991 года