Сампсоніївська церква на полі Полтавської битви була побудована на честь перемоги російської армії над шведською армією Карла XII, що відбулася 27 червня 1709 року. У цей день православна церква поминає преподобного Сампсонія Мандроприїмця, котрий жив у часи Римської Імперії і був відомий своєю унікальною здатністю зціляти хворих. Одним із його пацієнтів, яким він повернув здоров'я, був імператор Юстіліан. Преподобний Сампсоній помер у 530 році і був пізніше канонізований православною церквою.
  Храм був закладений 27 червня 1852 року за проектом, виконаним архітектором Шарлемані, а закінчений і освячений в ім'я преподобного Сампсонія Мандроприїмця 15 липня 1856 року. Усі роботи з організації будівництва виконав купець А.П.Ворожейкін, а контролював будівництво архітектор Хоруженко. Гроші на будівництво були взяті із суми в 100000 карбованців, яку заповів в 1811 році багатий Чернігівський поміщик Й.С.Судієнко на увічнення Полтавської битви. Храм був виконаний у візантійському стилі: прямокутний у плані, з п'ятьма главами. Він не мав системи опалення і використовувався тільки для проведення богослужінь у святкові та вихідні дні.
  Після реконструкції в 1895 році храм був змінений за проектом архітектора Ніконова. Були прибудовані бокові вівтарі, і храм набув у плані форми хреста. Іконостас для нього виготовили у майстерні московського купця Астаф'єва, а ікони написав художник Малишев. Був також виконаний розпис стін і куполу. Єпископ Полтавський Іларіон освятив храм 1 жовтня 1895 року.
  Під час реставрації 1909 року була добудована вхідна частина церкви з дзвіницею і виконаний розпис стін і склепінь. На зовнішній стіні храму зі східної сторони була намальована картина, яка зображувала звернення Петра I до російської армії напередодні битви, а під картиною була встановлена мармурова дошка з текстом цього звернення. У храмі зберігалося багато ікон, подарованих російськими полками, що брали участь у Полтавській битві.
  У 1929 році храм було закрито, а через рік було зруйновано його дзвіницю. Під час німецької окупації Полтави Сампсоніївська церква знову була відкрита. У 1949 році церква була остаточно закрита і передана музею Полтавської битви. Після проголошення незалежності України в 1991 році Сампсоніївська церква була повернута православній громаді і відновила свою діяльність.