Одновременно со сменой интерьера в резиденции по личному распоряжению генерал-губернатора в 1892-1893 годах были проведены большие работы по обустройству домовой церкви во имя благоверного князя Александра Невского и преподобного Сергия Радонежского (Александро-Сергиевская).

Церковь была освящена еще в ноябре 1806 года в одной из комнат второго этажа дворца вблизи парадной лестницы окнами на Тверскую. Строительство ее алтаря проходило под наблюдением архитектора И. В. Иготова. По изгнании Наполеона в храм начали поступать иконы и утварь из сгоревших городских приходов. Среди них и чтимое у москвичей изображение Святого Духа в виде золотого голубя над царскими вратами.

Иждивением князя В.А. Долгорукова в 1867 году храм был изящно отделан, но продолжал оставаться в мало приспособленном для церковных служб помещении. Это явно не соответствовало тому значению, которое со временем приобрела домовая церковь: здесь при большом стечении приглашенных служились торжественные молебны в дни именин членов августейшей фамилии и генерал-губернаторов, устраивались пышные бракосочетания, отмечались другие важные события. Несколько раз храм посетил император Николай II с супругой Александрой Федоровной.

Для выполнения работ по переоборудованию домовой церкви был приглашен известный архитектор, автор проектов памятников Александру III близ храма Христа Спасителя и Александру II в Кремле, знаток отечественной средневековой живописи Н.В. Султанов. Под его руководством стены и своды церкви были обиты деревом и расписаны в подражание фресок Спасо-Преображенского собора московского Новоспасского монастыря XVII века. Вход­ные двери выполнили по образцу порталов царских дворцов в Коломенском и Измайлове; главное паникадило представляло собой уменьшенную копию люстры церкви села Медведково. В настенных клеймах были запечатлены портреты российских государей и святителей православной веры. Был устроен и новый иконостас. Его основу составили двадцать отреставрированных икон допетровского письма из разобранного деревянного храма тогда еще подмосковного села Братеево. Оттуда же доставлены и резные царские врата. Вся церковная утварь была выполнена в подражание лучшим образцам древнерусского искусства Ярославля, Ростова Великого и других городов.

В годовщину 500-летия памяти Сергия Радонежского в 1892 году перестроенная церковь была вновь освящена. В таком виде она просуществовала до революционных потрясений 1917 года. С приходом к власти большевиков Александро-Сергиевская церковь была опечатана, а в апреле 1921 года и вовсе уничтожена. Старинный иконостас, более шестидесяти икон, утварь переданы на хранение в Пятый пролетарский музей Москвы; их дальнейшая судьба не прослеживается (Отдельные предметы стилизованной под старину церковной утвари (хоругви, подсвечники, облачения священников и др.) были тогда же переданы в действующие церкви Рождества в Палашах, Владимирской Божьей Матери на Никольской, в храмы Владимирской и Тверской епархий).