Прежде собор стоял отдельно и вход в него был с запада, со стороны Боярской площадки, которая сейчас находится внутри дворцовых зданий. Поскольку площадка отгорожена знаменитой Золотой решеткой, сам храм получил название «Спас за золотой решеткой». Второе название — «Верхоспасский» — собор получил потому, что размещается в третьем ярусе Теремного дворца.
Церковь Спаса Нерукотворного сооружена одновременно с Теремным дворцом при царе Михаиле Федоровиче в 1635-1636 годах как его домовый храм. Московские государи — от Михаила Федоровича до Петра I — посещали свой храм довольно часто. В дни Великого поста они слушали здесь покаянный канон, исповедовались и причащались. Здесь крестили царевичей Федора и Ивана Алексеевичей. В день совершеннолетия наследников престола в домовой церкви служили молебны, а далее торжество продолжалось в Успенском соборе.
Богатый резной золоченый иконостас сделан мастером Дмитрием Ширяевым в XVIII веке. В конце того же столетия графиня Матрона Салтыкова (из рода Салтыковых происходила царица Прасковья, жена Ивана Алексеевича, брата и соправителя Петра I) пожертвовала средства на чеканные серебряные царские врата. Это один из редких иконостасов, уцелевшим от погрома Кремля в 1812 году и последующих разрушений.
Главной святыней храма был древний образ Спаса Нерукотворного византийского письма, покрытый слюдой. Икона принесена в Москву в XV веке греческой царевной Софьей Палеолог в качестве приданого. Икона стояла справа от Царских врат. Сейчас на ее месте находится другой образ Спаса (XVII век). Другие иконы имеют прямое отношение к царскому роду. Это Новоникитская икона Божией Матери (слева от Царских врат), украшенная серебряным вызолоченным окладом со звездами из горного хрусталя. Происхождение иконы связано со св. мучеником Никитой-воином, чье имя носил боярин Никита Романович Захарьин-Юрьев, дед Михаила Федоровича.
Другая реликвия — образ Лонгина Сотника, покровителя государей Московских (его почитание установилось в начале XV века). Особенную ценность представляет образ Иверской Божией Матери — один из трех списков с древней иконы, которые пользовались большим почитанием в Москве (XVII век).
Северный придел собора первоначально был посвящен св. Иоанну Белоградскому. В конце XVII века его переосвятили во имя св. Иоанна Предтечи — небесного покровителя царя Ивана Алексеевича.
В приделе находится деревянный иконостас XIX века с иконами, написанными царскими изографами в XVII веке.
Церковь несколько раз возобновлялась и переделывалась. По воле императора Николая I в 1836 году храм был заново расписан. Лишь на северной и южной стенах храма сохранились фрагменты росписей 1670 года.
В дни Стрелецкого бунта 1682 года здесь исповедовался и приобщился Святых Тайн боярин Иван Нарышкин, который затем отправился к мятежным стрельцам, чтобы уговори ть их прекратить бунт, но был убит мятежниками.
До революции 1917 года церковь Спаса была открыта для всех молящихся один раз в год, в день храмового праздника.