Powstanie świątyni wiąże się z wydarzeniami z 1815 roku, kiedy to po zakończeniu Kongresu Wiedeńskiego Królestwo Polskie znalazło się w kręgu Carstwa Rosyjskiego, a wielu Polaków wiązało z osobą cara Aleksandra I, który miał przywdziać polską koronę, nadzieje na uzyskanie wielu swobód, być może nawet autonomii. Car wjechał do miasta 12 listopada przez rogatki mokotowskie, a w celu jego powitania na placu Trzech Krzyży wzniesiono prowizoryczny, drewniany łuk triumfalny. Następnie rozpoczęto zbiórkę publiczną na budowę stałego, murowanego łuku triumfalnego, na co jednak nie zgodził się car Aleksander I. W zamian zaproponował, aby zbierane fundusze poświęcić na wybudowanie katolickiej świątyni.

Dnia 15 czerwca 1818 roku wmurowano na placu Trzech Krzyży kamień węgielny pod budowę klasycystycznej świątyni według projektu Chrystiana Piotra Aignera, wzorowanej, podobnie jak kościół św. Trójcy, na rzymskim Panteonie. Budowę zakończono w 1825 roku, a świątynię konsekrował 18 czerwca 1826 roku abp Wojciech Leszczyc-Skarczewski. Nowa świątynia uzyskała wezwanie św. Aleksandra. Przy kościele powstała parafia, której pierwszym proboszczem był ks. Jakub Falkowski. Wkrótce kościół okazał się być zbyt mały, wobec czego przygotowywano kolejne projekty rozbudowy świątyni. Pomysły Henryka Marconiego (1854), Ignacego Kwiatkowskiego (1867), Zygmunta Kiślańskiego (1870), Władysława Hirszla (1875) czy Jana Hinza (1882) nie wyszły jednak poza sferę planów. Sprawę posunął dopiero zapis Karoliny Grodzickiej na rzecz rozbudowy świątyni z 7 stycznia 1875 roku.

Posiadając fundusze z tej darowizny 14 kwietnia 1883 roku rozpisano konkurs na projekt powiększenia kościoła, na który zgłoszonych zostało osiemnaście prac. Pierwsze miejsce zajął projekt przedstawiony przez Józefa Piusa Dziekońskiego, który zrealizowano w latach 1886-1895. Nowy kościół zyskał kostium eklektyczny z przewagą elementów neorenesansowych – między innymi wysmuklono proporcje budowli, pojawiła się dużo większa neorenesansowa kopuła (zaczerpnięta z bazyliki św. Piotra w Rzymie), wydłużono halę w kierunku południowym, dostawiono dwie dzwonnice ze szpiczastymi hełmami, dodano bogatszą sztukaterię. Podczas przebudowy ani na chwilę nie przerwano liturgii – najpierw rozebrano południowy portyk i dobudowano nawę i wieże, a poza zakończeniu prac na tym odcinku wzięto się za przebudowę północnego fragmentu świątyni. Nową świątynię konsekrowano 20 lipca 1895 roku. W 1912 roku w wieżach zawieszono trzy dzwony.

We wrześniu 1939 roku kościół został nieznacznie uszkodzony podczas nalotów. Kościół został zbombardowany podczas powstania warszawskiego, 11 września 1944 roku trzy Junkersy Ju-87 Stuka zbombardowały kościół (każdy po jednej bombie) i zrównały go z ziemią. Gdy w 1945 roku pierwsi warszawiacy wracający do miasta przybyli na plac Trzech Krzyży, ośnieżony kościół sprawiał wrażenie antycznej ruiny. Nad wszystkim dominowała cudem ocalała lewa wieża kościoła. Ruiny kościoła św. Aleksandra inspirowały wielu artystów do tworzenia swych dzieł. Już w lutym 1945 roku odbyto tu pierwsze nabożeństwo. Po wojnie pojawiły się liczne pomysły na temat jego przyszłości, jeden z nich zakładał wyeksponowanie ruiny jako pomnika zniszczeń II wojny światowej, podobnie do kościoła Frauenkirche w Dreźnie. Eksponowanie kościoła w czasach stalinowskich okazało się jednak niemożliwe. Kiedy już zadecydowano o odbudowie świątyni, rozgorzał spór, czy odbudować go jako klasycystyczny czy jako eklektyczny – ostatecznie decydenci komunistyczni zadecydowali o odbudowie w oryginalnej formie, czego dokonano w latach 1949-1952 według projektu Stefana Marzyńskiego. W 1951 roku rozebrano ocalałą wieżę kościoła. Dnia 21 września 1952 roku konsekrowano odbudowaną świątynię. Zarys rozbudowanej świątyni można poznać po wyniesieniu terenu wokół współczesnego kościoła. Z czasem przebudowany został także kościół dolny, gdzie znalazły się katakumby z grobem pierwszego proboszcza, ks. Jakuba Falkowskiego. Dnia 1 lipca 1965 roku kościół został wpisany do rejestru zabytków.

Kesz magnetyczny