Дворцовая путевая церковь в Валдае входила в единый комплекс путевого дворца императрицы Екатерины II. Она была построена по проекту виднейшего русского зодчего XVIII столетия Н.А. Львова.

Начало строительства церкви относится к 1786 году. Датой окончательного построения храма и его освящения является 1793 год.

Это была единственная построенная на казенный счет церковь в Валдайском уезде. Исследование сумм, израсходованных на строительство церкви, показывает, что из 10763 рублей: 7000 рублей - «Высочайше прилагаемы» императрицею Екатериною II; 3435 рублей получены от жителей г. Валдая; 328 рублей - от продажи остатков строительных материалов. Казенные средства от императрицы Екатерины II поступили уже в 1786 году. Пожертвования местных жителей продолжали собираться и после освящения церкви в 1793-1797 гг.

Путеводители XIX - начала XX веков пишут: «Церковь столь же красива своей архитектурою, как и местоположением; живописная панорама города и озера, с зеркальною поверхностью вод и зеленой рощей, видна отсюда в полном виде». Здание установлено на вершине холма на высоком цоколе, что еще более делает его возвышенным и как бы парящим над Валдаем.

Понимая уникальное художественное значение Екатерининской церкви, в 1920-30-е гг. памятник не только не подвергался разрушению и перестройке, но был взят под охрану государства. Постановлением Совета Министров РСФСР от 27 октября 1949 года церковь была включена в список объектов, подлежащих государственной охране как уникальный художественно – архитектурный памятник республиканского значения.

В 1970 году здание было музеефицировано, отреставрировано и приспособлено под экспозиционно - выставочную деятельность. В 1971 г. здесь открылась первая краеведческая экспозиция  музея.  В 1980 г. в Екатерининской церкви открывается экспозиция "Валдайский колокольчик".

В 1995 году, накануне празднования 500-летия первого письменного упоминания о Валдае, открывается Музей колоколов.