Село Репьёвка основано между 1670 и 1675 годами украинскими переселенцами и русскими служилыми людьми. Первоначально называлось слобода Потудань по имени реки, позднее - Петровское или Петропавловское по названию храма. Современное название закрепилось в конце XVIII века по фамилии владельцев - князей Репниных или титулярного советника Репьёва.
Первая деревянная церковь во имя апостолов Петра и Павла упоминается с 1721 года. В 1761 году была построена новая деревянная церковь, которая простояла до середины XIX века. Эта церковь имела один престол, была расписана внутри и снаружи, имела 33 десятины церковной земли.
Современный каменный храм строился с 1841 по 1877 год методом народной стройки на средства прихожан и благотворителей. Для строительства использовался местный кирпич, изготовленный по особой технологии с добавлением ржаной муки и яичных белков в раствор. Известь для строительства гасили в специальных ямах в течение 10-15 лет.
Храм был освящён в 1877 году. В трапезной части устроен придел во имя святителя Николая Чудотворца. В 1897 году на колокольне установлен колокол весом 317 пудов (около 5 тонн). По данным 1900 года, приход насчитывал 792 двора с 5800 прихожанами.
В 1930-1980-е годы храм использовался как складское помещение, хотя есть свидетельства о проведении богослужений в период Великой Отечественной войны. В 1987 году здание храма получило статус объекта культурного наследия. В 2010 и 2012 годах в храме совершал богослужения митрополит Воронежский и Борисоглебский.