Сампсониевская церковь на поле Полтавской битвы была построена в честь победы русской армии над шведкой армией Карла XII, которая произошла 27 июня 1709 года. В этот день православная церковь поминает преподобного Сампсония Странноприимца, который жил во времена Римской Империи и был известен своей уникальной способностью исцелять больных. Одним из его пациентов, которым он вернул здоровье, был император Юстилиан. Преподобный Сампсоний умер в 530 году и был позднее канонизирован православной церковью.
    Храм был заложен 27 июня 1852 года по проекту, выполненному архитектора Шарлемани, а закончен и освящен во имя преподобного Сампсония Странноприимца 15 июля 1856 года. Все работы по организации строительства выполнил купец А.П.Ворожейкин, а контролировал строительство архитектор Хоруженко. Деньги на строительство были взяты из суммы в 100000 рублей, завещанной в 1811 году богатым Черниговским помещиком И.С.Судиенко на увековечение Полтавской битвы. Храм был выполнен в византийском стиле, прямоугольным в плане, с 5-ю главами. Он не имел системы отопления и использовался только для проведения богослужения в праздничные и выходные дни.
    После реконструкции в 1895 году храм был изменен по проекту архитектора Никонова. Были пристроены боковые приделы, и план храма приобрел форму креста. Иконостас был выполнен в мастерской московского купца Астафьева, а иконы для него написал художник Малышев. Была также выполнена роспись стен и купола. Епископ Полтавский Илларион освятил храм 1 октября 1895 года.
    Во время реставрации 1909 года была достроена входная часть церкви с надвратной колокольней и выполнена роспись стен и сводов. На наружной стене храма с восточной стороны была выполнена картина, изображающая обращение Петра I к русской армии накануне битвы, а под картиной была установлена мраморная доска со словами этого обращения. В храме находилось много икон, подаренных полками, принимавшими участие в Полтавской битве.
    В 1929 году храм был закрыт, а через год была разрушена надвратная колокольня. Во время немецкой оккупации Полтавы Сампсониевская церковь вновь была открыта. В 1949 году церковь была окончательно закрыта и передана музею Полтавской битвы. После провозглашения независимости Украины в 1991 году церковь была передана православной общине и возобновила свою деятельность.