Ctitoria lui Şerban Vodă Cantacuzino, ridicată între anii 1679-1682 era una dintre cele mai frumoase şi mari construcţii bisericeşti din Bucureşti. Avea 31,75 m lungime şi 17,87 lăţime. Era de plan triconic cu pronaos, naos, altar şi pridvor. Pictura murală a fost realizată de Pârvu Mutu. Pronaosul adăpostea 12 coloane canelate pe care se sprijinea o turlă mică. Accesul în naos era permis de un spaţiu în care se înscria şi gropniţa ctitoricească. Absidele laterale semicirculare în interior şi poligonale către exterior susţineau turla mare. Cutremurul din 1802 a dus, conform unor însemnări contemporane posibil exagerate, la prăbuşirea bisericii. Se consemnează o refacere a edificiului în 1806 de către stareţul Visarion, folosind aceleaşi fundaţii şi pietrăria originală. Deşi în sec. XX au avut loc reamenajări făcute de arh. Paul Cerchez, bisericii i se acorda puţină atenţie. Mici reparaţii i se fac în 1903 şi 1940.

Biserica a fost demolată din ordinul lui Nicolae Ceauşescu în 1984. S-a reuşit păstrarea fundaţiilor bisericii şi păstrarea mai multor elemente arhitectonice. În iulie 2003, în urma mai multor intervenţii, în special ale Fundaţiei Cantacuzino, au fost demarate lucrările de zidire pe vechile fundaţii a bisericii Cotroceni, sub forma unui "Memorial Cantacuzin", care a presupus reconstruirea numai a pronaosului şi pridvorului. Mai târziu, în mai 2008, au fost reluate lucrările de refacere, rezidindu-se şi naosul şi altarul bisericii, pentru ca noua construcţie să aibă o formă cât mai apropiată de cea originară. Osemintele familiei Cantacuzino au fost reîngropate în pronaos.

Biserica a adăpostit mormintele familiei Cantacuzino, inclusiv pe al voievodului Şerban Vodă (1678-1688). Cercetările arheologice de salvare din 1984 au relevat faptul că mormintele (cu excepţia unuia) fuseseră profanate în mai multe rânduri, osemintele şi inventarul funerar fiind răvăşite. Au fost cercetate în iunie 1984 şase morminte marcate cu pietre tombale (dintre care unele cu oseminte de la mai mulţi indivizi), printre care cel al domnitorului Şerban Vodă Cantacuzino şi cel construit pentru principele Mircea, fiul regelui Ferdinand şi al reginei Maria (osemintele fiind mutate apoi la Castelul Bran). Se presupune că latura de nord a pronaosului ar fi adăpostit şi alte morminte.

În 1980, pe latura de nord-vest a palatului a fost identificat şi un cimitir contemporan perioadei de funcţionare a aşezământului mănăstiresc şi palatului.

Urme ale culturii Glina au fost identificate prin cercetări arheologice în 1980, când s-a construit aripa nouă a palatului, în partea de nord-est, nord şi nord-vest a palatului Cotroceni. Fragmentele ceramice găsite în bordeie au culoarea cafeniu-negricioasă, cărămiziu-cenuşie sau negricioasă, şi sunt făcute dintr-o pastă de lut amestecat cu pietricele. Aparţin unor forme de vas de tipul cănilor, castroanelor, vaselor de preparat alimentele sau pentru provizii. Stratul arheologic datat prin fragmentele ceramice ca aparţinând epocii bronzului a fost identificat şi în cercetările din 1984 în zona bisericii, imediat sub nivelul de călcare al constructorilor, ceea ce dovedeşte o acţiune de nivelare prin care s-au îndepărtat depunerile formate pe parcursul a 3600 de ani.

În 1980 au fost identificate urme ale locuirii din secolele XVII - XVIII - bordeie, vetre, cuptoare, descoperindu-se şi artefacte precum fragmente ceramice şi o cruciuliţă de bronz.

Au fost descoperite şi cercetate în 1980 resturile zidăriei fostei bucătării domneşti din secolele XVII - XVIII. De aici a fost recoltat un foarte bogat material ceramic, cu cele mai multe fragmente ceramice smălţuite, fragmente de vase de sticlă şi porţelan de import.