Впервые Вырковский погост, на котором впоследствии был возведён храм, упоминается в 1628 году. В Переписной книге Московского уезда 1646 года содержится запись о существовании на погосте деревянной церкви Рождества Пречистой Богородицы с причтом, включавшим священника Симеона, пономаря Никиту и просфорницу Ирину.
В 1702 году на месте сгоревшей старой церкви была построена новая деревянная церковь, также освящённая в честь Рождества Пресвятой Богородицы. Эта церковь прослужила до 60-х годов XIX века. Существует мнение, что вторая деревянная церковь была Крестовоздвиженской, однако это посвящение она получила незадолго до переноса в деревню Дубровку, чтобы избежать дублирования посвящений с новым каменным храмом.
Строительство каменного трёхпрестольного храма в честь Рождества Пресвятой Богородицы началось в 1846 году на возвышенности рядом с рекой. Приделы были освящены в честь Третьего обретения главы Иоанна Предтечи и святителя Николая Чудотворца. Архитектурно храм представляет собой однокупольную четырёхстолпную церковь в русско-византийском стиле с небольшой трапезной и колокольней, выполненную в духе проектов Константина Андреевича Тона.
В 1913 году была завершена внутренняя роспись храма. Особенностью этих фресок является то, что они были выполнены по эскизам известных художников Виктора Васнецова и Михаила Нестерова для Владимирского собора в Киеве. Роспись осуществлял Иван Григорьевич Клёнов с сыновьями.
В период советских гонений на церковь многие священно- и церковнослужители храма пострадали за веру. Среди них протоиереи Иван Парусников, Иван Тарасов, Василий Никольский и диакон Евгений Никольский были причислены к лику святых. После ареста последнего священника в 1938 году с колокольни был сброшен колокол, а богослужения были запрещены. Однако благодаря усилиям сторожа и прихожан храм избежал разрушения.
Официально храм был вновь открыт в 1946 году. В 2003 году из Екатеринбурга был привезён полный комплект колоколов фабрики «Благовест», приобретённый на средства Анны Кузьминичны Демидовой в память о её сыне. В 2005 году Демиховский машиностроительный завод подарил храму малую звонницу.
В настоящее время Богородицерождественский храм в Нестерово является действующим и регулярно проводит богослужения. Приход активно занимается духовно-нравственным воспитанием подрастающего поколения, организует различные мероприятия и поддерживает связь с местным сообществом.