Сампсоніївська церква на полі Полтавської битви була побудована на честь перемоги російської армії над шведкою армією Карла XII, що відбулася 27 червня 1709 року. У цей день православна церква поминає преподобного Сампсонія Странноприимца, що жив у часи Римської Імперії й був відомий своєю унікальною здатністю зціляти хворих. Одним з його пацієнтів, яким він повернули здоров'я, був імператор Юстиліан. Преподобний Сампсоній помер в 530 році й був пізніше канонізований православною церквою. 
 

Храм був закладений 27 червня 1852 року за проектом, виконаним архітектором Шарлемані, а закінчений й освячений в ім'я преподобного Сампсонія Странноприимца 15 липня 1856 року. Всі роботи з організації будівництва виконав купець А. П. Ворожейкін, а контролював будівництво архітектор Хоруженко. Гроші на будівництво були взяті із суми в 100000 рублів, заповіданої в 1811 році багатим чернігівським поміщиком І.С. Судієнком на увічнення Полтавської битви. Храм був виконаний у візантійському стилі, прямокутним у плані, з 5-ю главами. Він не мав системи опалення й використався тільки для проведення богослужіння у святкові й вихідні дні. 
 

Після реконструкції в 1895 році храм був змінений за проектом архітектора Никонова. Були прибудовані бічні бокові вівтарі, і план храму набув форму хреста. Іконостас був виконаний у майстерні московського купця Астаф’єва, а ікони для нього написав художник Малишев. Був також виконаний розпис стін і купола. Єпископ Полтавський Іларіон освятив храм 1 жовтня 1895 року. 
 

Під час реставрації 1909 року була добудована вхідна частина церкви з надбрамною дзвіницею й виконаний розпис стін і зводів. На зовнішній стіні храму зі східної сторони була виконана картина, що зображує звернення Петра I до російської армії напередодні битви, а під картиною була встановлена мармурова дошка зі словами цього звернення. У храмі перебувало багато ікон, подарованих полками, що приймали участь у Полтавській битві. 
 

В 1929 році храм був закритий, а через рік була зруйнована надбрамна дзвіниця. Під час німецької окупації Полтави Сампсоніївська церква знову була відкрита. В 1949 році церква була остаточно закрита й передана музею Полтавської битви. Після проголошення Незалежності України в 1991 році церква була передана православній громаді й відновила свою діяльність.