Laut Überlieferung wurde die Kirche auf den Grundmauern eines antiken Tempels errichtet, der einer weiblichen Göttin, wahrscheinlich Athene oder Demeter, geweiht war. Eine andere Legende besagt jedoch, dass an dieser Stelle zuvor eine älteren von der Kaiserin Aelia Eudocia errichtet Kirche stand.

Die Kreuzkuppelkirche, die der Mariä Opferung geweiht war, wurde während des dritten Viertels des 11. Jahrhunderts erbaut. Als man etwa bis zur Höhe des Zahnschnitt gelangt war, stellte man den Bau zunächst ein. Kurze Zeit später wurde der Bau fortgesetzt und gleichzeitig die Saalkirche, die der heiligen Barbara geweiht wurde, im Norden angebaut. Die Kapnikarea diente sehr wahrscheinlich als Katholikon eines Klosters. Im frühen 12. Jahrhundert wurde eine offene Säulenhalle im Westen angebaut. Als Zugang wurde im Süden ein kleiner Torbau errichtet. Die Säulenhalle wurde später geschlossen und so in einen Exonarthex umgewandelt. Außerdem wurde im Norden ein Glockenturm angebaut. Nach anderer Interpretation der Bausubstanz wurde die Kirche der heiligen Barbara erst während der spätfränkischer Zeit (15. Jahrhundert) errichtet.

Während der Griechischen Revolution, in den Jahren 1826 und 1827 wurde die Kirche und vor allem der nördliche Anbau stark beschädigt. Vor 1836 ließ der Kommandant Ioannis Prentzas (griechisch Ιωάννης Πρέντζας) die Kirche wieder aufbauen und weihte ihr eine alte Ikone.

1834 wurde der Abriss der Kirche durch den Architekten Leo von Klenze, der den Verlauf der Hermesstraße (Ermou) plante, vorgesehen, aber Ludwig von Bayern konnte seinen Sohn Otto, den König von Griechenland, von der kunsthistorischen Bedeutung der Kirche überzeugen. Auch ein Wiederaufbau an anderer Stelle wurde erwogen. Schließlich wurde die Straße um die Kirche herum angelegt. Ein weiteres Mal sollte sie 1863 abgerissen werden, dies konnte jedoch durch die Intervention der Gemeinde verhindert werden. Nach 1836 wurde der Eingang im Süden zugemauert. Nachdem die ursprünglichen Malereien Anfang des 20. Jahrhunderts verloren waren, wurden der Narthex, der Exonarthex und die Kapelle der heiligen Barbara von einem unbekannten Künstler mit Fresken versehen.

1931 wurde die Kapnikarea der Nationale und Kapodistrias-Universität Athen überantwortet. Sie diente nach der Renovierung ab 1935 als Universitätskirche. Ab 1942 schmückte Fotis Kontoglou die Wände der Kirche mit Fresken. Er begann zunächst mit der Apsis. Kontoglous Studenten führten seine Arbeit später weiter.

Bei einem Erdbeben am 24. Februar 1981 bei den Alkyoniden wurde die strukturelle Integrität des Bauwerks geschwächt. Ein weiteres Erdbeben in Athen am 7. September 1999 verursachte Risse im Turm der Kirche. Bei der Bohrung des Tunnels für die U-Bahn der Linie 3 der Metro Athen entstanden Brüche im südlichen und nordöstlichen Teil des Bodens der Kapnikarea. Seit April 2003 verkehrt die U-Bahn täglich 17 m unter Kirche. 2009 wurde untersucht welchen Einflüssen die Kirche ausgesetzt ist und wie sie restauriert und vor weiterem Schaden bewahrt werden kann.[1] Seit 2009 restauriert das Ephorat der Altertümer von Athen in Zusammenarbeit mit der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen die Fresken.