Prima biserică despre care sunt izvoare documentare a fost ridicată pe aceste locuri în anii 1742-1744, a fost ctitorită de Domniţa Bălaşa şi soţul ei, marele ban Manolache Rangabe, zis Lambrino. Avea o singură navă centrală şi două nave laterale mai mici, fără niciun fel de turlă şi a fost folosită ca paraclis al familiei. A fost dărâmată în 1871, iar pe locul altarului s-a pus o piatră comemorativă în 1883.

În anul 1959, în curtea bisericii au avut loc săpături arheologice pentru subzidirea temeliilor şi pentru repararea crăpăturilor zidurilor actualei biserici Domniţa Bălaşa ce datează din 1881. Fiind descoperite cu acest prilej câteva ziduri aparţinând unei construcţii medievale, între 20 august şi 15 septembrie 1959 s-a efectuat un sondaj arheologic condus de Gheorghe Cantacuzino ce a dus la degajarea în partea dinspre sud a unei vechi biserici, construită din cărămizi, situată în mare parte sub actuala biserică. La momentul respectiv, s-au stabilit trei faze în evoluţia ei, prima fiind considerată ca fiind construită la sfârşitul secolului al XVI-lea sau începutul celui de-al XVII-lea. În faza a doua zidurile au fost demantelate şi o nouă construcţie cu ziduri groase a fost a fost ridicată, după interpretarea arheologului probabil la mijlocul secolului la XVII-lea, iar în faza a treia a fost adăugat un pridvor. Noi interpretări în urma cercetărilor din 2020 consideră că etapa I ar reprezenta ruinele bisericii ridicată de Domniţa Bălaşa între 1750-1753, deci secolul XVIII, iar etapa a doua se referă la biserica ridicată de Safta Brâncoveanu la 1842.

Au fost identificate arheologic în cercetările din 1959 două cavouri, unul in interiorul pronaosului, altul la exteriorul său, în care s-au găsit oseminte umane răvăşite, aparţinînd mai multor schelete dezgropate din alte morminte. Cavourile au fost zidite cu acelaşi fel de materiale ca şi pridvorul.

În 1985, la 30 m nord-est de altarul bisericii, a fost dezvelită o construcţie patrulateră din bârne de lemn, cu suprafaţa de peste 150 mp. Datează din prima jumătate a sec. XVIII, fiind posibil anexa gospodăriei boierilor Brâncoveanu sau a Curţii Domneşti.

În 1751-1753, Domniţa Bălaşa zideşte alături de prima ctitorie, folosită apoi ca paraclis, pe locul bisericii de astăzi, un al doilea lăcaş, cu hramul Înălţarea Domnului. În jurul bisericii s-a înfiinţat o şcoală (1745) şi un azil de bătrâni (1761).
După cutremurul din 1838, aceasta a fost dărâmată şi s-a construit o a treia biserică, pe locul celei vechi, mai mare ca dimensiuni, în stil neo-gotic, care a purtat acelaşi hram. Cea de-a treia biserică a fost ctitorită în 1842 de Safta Brâncoveanu, văduva marelui ban Grigore Brâncoveanu, care mai târziu a fondat şi Spitalul Brâncovenesc din apropiere, inaugurat la 14 octombrie 1838.
Biserica actuală Domniţa Bălaşa din Bucureşti a fost construită în anii 1881 - 1885, în stil neoromantic şi neobizantin după planurile de arhitectură întocmite de Alexandru Hristea Orăscu împreună cu Carol Benesch şi Hartman şi avizate de André Lecomte du Noüy.

Cercetările arheologice preventive în 2020 în zona de sud-vest a curţii Bisericii Domniţa Bălaşa au scos la lumină mai multe structuri de ziduri ce aparţin unei clădiri identificată ca aparţinând chiliilor bisericii în care au funcţionat Azilul de femei şi Şcoala de băieţi, înfiinţate de Domniţa Bălaşa după mijlocul secolului al XVIII-lea.