Строительство храма было завершено в 1869 году. Средства на возведение были завещаны коллежским асессором Николаем Фёдоровичем Антоновым, который также предусмотрел финансирование содержания причта и приютов при храме. Меценат похоронен у стен церкви.
В XIX веке при храме функционировали каменный дом для причта и богадельня.
В 1930 году храм был закрыт, здание подверглось разграблению, а колокольня была утрачена. После освобождения города от немецких войск в январе 1943 года началось восстановление храма. В 1945 году была возведена новая колокольня, и храм приобрёл современный облик, несколько отличающийся от первоначального.
На церковном кладбище находился склеп архиепископа Казанского и Свияжского Димитрия (Самбикина), уроженца Бирюча. Захоронение было уничтожено в 1922 году во время изъятия церковных ценностей.