Для своей царской потехи Царь Алексей Михайлович повелел устроить на землях Ермолинских Рощ зверинец, около которого любил часто охотиться. «Закончив поле, — пишет Иван Шевелкин в своем очерке «Из воспоминаний странника», — Царь не возвратился, как предполагалось, в Москву, а остался здесь на ночлег, для чего были раскинуты теплые шатры.

Ночью, когда тихий сон смежил усталые царские очи, вдруг показалось ему, что шатер его осветился необыкновенным сиянием, и перед ним предстала дева ангельской красоты, облаченная в белую, как снег, одежду» «Не ужасайся, Царь, – сказала она, – но благодари Господа. В эту ночь по Его воле разрешилась от бремени супруга твоя и принесла тебе дщерь на утешение». Царь узнал небесную гостью – это была великомученица Екатерина.

Пробудившись от сна, объятый одновременно ужасом и радостью, велел Государь будить всех бояр и холопов, и, объявив о чудном видении, приказал тут же сниматься с места. Все было собрано с великой поспешностью, и среди глубокой ночи еще не отдохнувшие кони понесли седоков в Москву. У села Коломенского встретился охотникам гонец, который летел им навстречу, чтобы сообщить Государю радостную весть: Царица родила дочь, и обе они, и «юная мать, и новорожденная находятся в вожделенном здравии». Царь, обливаясь слезами умиления, снял шапку и, осенив себя крестным знамением, воскликнул: «Чудны дела Твои, Господи!» И тогда же он положил на месте чудного видения основать монастырь, а свою дочь назвать в честь явившейся ему святой великомученицы Екатерины. Событие это произошло 26 ноября (7 декабря н.ст.) 1658 года.

Первые строения монастыря были сделаны из дерева, однако уже в мае 1664 года Царь Алексей Михайлович повелевает деревянные постройки продать или разобрать на иные цели и возвести здесь каменные сооружения: одно — для церковного причта, другое — для содержания престарелых Царских слуг. Строительство Государь поручил приказчику из Москвы А.Мерчукову. Со всех сторон подвозили к пустыни необходимые материалы: из Москвы стрельцы везли кирпич; известь поставляли крестьяне села Колычева, стоявшего на реке Пахре; камень, бут и сваи тащили из Ермолина, Лопатина и Мячкова. Через овраги и ручьи тянули дороги, возводили мосты. Их, а так же палаты и кельи, как впрочем и «всякое каменное дело» с бригадой каменщиков и плотников строил в 1665—1666 годах Иван Кузьмин Кузнечик, знаменитый «каменных дел подмастерье», стрелец полка Артамона Матвеева.

Государь сам следил за устроением новой обители. К лету 1667 года начались работы по внутреннему благоустройству палат. Деньги на строительство и содержание пустыни, на церковную утварь и облачения священно-служителей жалуются из «комнатных Государевых денег». В дар церкви Алексей Михайлович приносит икону святой великомученицы Екатерины, украшенную драгоценной ризою, прославившуюся как чудотворная.

С 1674 года церковь с небольшим кладбищем, деревянными и двумя каменными строениями именуется уже пустынью «Екатерининския Рощи», а в 1679 году поднимается новая каменная церковь, имеющая два придела: левый — во имя Преподобного Сергия Радонежского и правый, теплый с «пещью изращатою» — в честь Святителя Николая. Церковь была «об одной главе»; храм и приделы покрыты тесом, а глава обита зеленой черепицей и увенчана золоченым прорезным крестом. На северной стороне обители возвышалась над Святыми вратами каменная колокольня также «об одной главе», «крытая тесом на обе стороны». На колокольню приобрели семь колоколов. Звон был, по свидетельству современников, довольно благозвучный и далеко распространялся по окрестностям.

В расходных книгах Оружейной палаты имеются сведения о выдаче денег иконописцам, которые выполнили для Екатерининской пустыни тридцать одну икону. Возможно, тогда же дочь Алексея Михайловича Царевна Екатерина, чье рождение было возвещено на этом месте, принесла в дар храму икону старинного письма — чудотворный образ священномученика Антипы, имевший благодатную силу исцелять страждущих от зубной боли.

Новая церковь была освящена 11 октября 1679 года. В этот день Государь Феодор Алексеевич «ходил из Москвы в село Коломенское, а из села Коломенского — в Екатерининскую Рощу ко освящению церкви... А за ним, Великим Государем, бояре и князья: Василий Васильев Голицын, Михаил Григорьев Ромадановский... Собакин... Шакловитый» — и другие приближенные Царские слуги.

К 1679 году была выстроена новая каменная церковь, имевшая два придела: левый — во имя Преподобного Сергия Радонежского, правый — в честь Святителя Николая. Правый придел церкви был теплый, в нем устроена «пещь изращатая». Церковь была «об одной главе»; храм и приделы покрыты тесом, а глава обита зеленой черепицей и увенчана золоченым прорезным крестом. На северной стороне каменная колокольня над Святыми вратами также была «об одной главе», «крыта тесом на обе стороны». На колокольню приобрели семь колоколов. Звон был, по свидетельству современников, «довольно благозвучный» и далеко распространялся по окрестностям.