Biserica a fost zidită în 1724 de către ieromonahul grec Ioanichie Straronicheas în stil brâncovenesc, însă abia la 1731 a fost construită şi turla bisericii. Pridvorul a fost realizat din piatră monolitică şi are coloane cu capiteluri realizate în stil neocorintic. În 1904 au fost avut loc lucrări de restaurare, începute de către arhitectul Ioan Mincu, întrerupte după moartea acestuia şi reîncepute după 1913. A fost reparată turla bisericii, care a fost distrusă în urma cutremurelor din 1802 şi 1838. În acelaşi an, preotul pictor Vasile Damian a refăcut medalioanele sfinţilor. Ioan Mincu a organizat şi un lapidarium în curtea bisericii. În biserică, în naos, pe partea dreaptă, se află scaunul original al domnitorului Nicolae Mavrocordat. Scaunul este din lemn, iar pe partea de sus sunt sulptate două steme, cea a Ţării Româneşti şi cea a Moldovei, datorită faptului că acesta a domnit în ambele principate. Lângă acesta se află scaunul original al ctitorului.

Mânăstirea Stavropoleos a fost închinată de la început Sfinţilor Arhangheli Mihail şi Gavril şi Sfântului Ierarh Atanasie cel Mare, apoi a preluat şi hramul unui paraclis aflat în vecinatate, dărâmat în secolul al XIX-lea, al Sf. Sfinţit Mucenic Haralambie. La redeschiderea mănăstirii, în anul 2008, a primit un nou hram, pe Sf. Martir Iustin Filosoful.

Casa parohiala a fost construită între 1909-1912, pe locul fostului han Stavropoleos, care fusese ridicat in 1722, tot de Ioanichie. Adăposteşte numeroase pietre de mormânt, printre care piatra funerară a pictorului, pisania bisericii Sf. Ioan Cel Mare, care datează din 1703, pisania bisericii Sf. Sava, precum si lespezi funerare din secolele XVIII-XIX ale unor boieri si egumeni. Pietrele funerare prezintă inscripţii în chirilică, în greacă, slavonă, română şi sârbă.