Существующий каменный храм был заложен по проекту Юрия Фельтена. Наибольшую популярность этот архитектор приобрел, создав совершенно новый для Петербурга тип церкви – небольшую изящную постройку, увенчанную куполом. В лютеранских храмах Фельтен придерживался удлиненного плана, удобного для службы. Ставил просторные хоры с трех сторон церковного зала, а колоннады, поддерживающие их, зрительно разделяли зал на три нефа.

Архитектор располагал главные фасады в торце: на Фурштатскую и Кирочную улицы выходили пышно украшенные компактные объемы, а боковые длинные стороны очень скромны. Южный фасад представлял четырехколонный портик, а северный – ионическую полуротонду алтарной части. Колоннада ее увенчана небольшим барабаном, декорированным колоннами коринфского ордера и куполом.

Юрий Фельтен ввел в венчающие части колонн лавровые гирлянды, а стену декорировал барельефными композициями: головками парящих в облаках херувимов. Карниз стены декорирован балюстрадой.

Здание обошлось общине более чем в 30 тысяч рублей. По сторонам алтаря, увенчанного сиянием, стояли статуи апостолов Петра и Павла и висели картины «Тайная вечеря» и «Распятие», с запада поставили пышное место для проповедника. Освящение храма состоялось 24 октября 1779 года.

К концу XVIII века в церкви ежегодно совершалось 130-155 крестин, а на праздники причащались около тысячи прихожан. Лютеране выбирали приходской храм по своему усмотрению, часто они руководствовались при этом популярностью пастора-проповедника. Среди прихожан Анненкирхе были представители многих известных военных фамилий.

В 1850-х годах при реконструкции церкви на хорах установили орган фирмы «Валкер», позже слева от алтаря повесили большое полотно Эрнеста Липгарта «Вознесение». В 1860-х храм еще расширили и перестроили. К нему были приписаны несколько домовых храмов, в том числе приход Святой Марии во Вдовьем доме Смольного.