Первые документальные упоминания о храме в селе Степурино относятся к 1551 году, когда село принадлежало помещику боярину Тимофею Васильевичу Борисову. В «Дозорной книге 1551-1554 гг.» указано наличие деревянной церкви во имя святых мучеников Флора и Лавра. Это свидетельствует о давних православных традициях в данном регионе.
В 1766 году статский советник Евграф Васильевич Татищев подал прошение о строительстве каменного храма. Разрешение было получено, и в 1780 году церковь была освящена. Однако к 1825 году здание пришло в ветхое состояние, и последовало дозволение на его разборку и возведение нового храма.
Современное каменное здание храма было построено в 1835 году на средства местного помещика Ивана Максимовича Ильинского при участии пожертвований прихожан. Храм выполнен в стиле классицизма по типу «ротонда на четверике» с двумя престолами: холодным во имя святых мучеников Флора и Лавра и теплым во имя святого Арсения Тверского. Колокольня, построенная в стиле барокко в 1745 году (перестроена в XIX веке), сохранилась как часть храмового комплекса.
В 1901 году приход насчитывал 369 дворов с 2227 прихожанами. В клире состояли священник, диакон и псаломщик. Церкви принадлежала деревянная часовня святого Арсения Тверского, построенная в 1869 году на месте сгоревшей упраздненной церкви.
В 1930-е годы храм был закрыт советскими властями. Здание использовалось под склад зерна и ремонтные мастерские колхоза имени Сталина. В этот период были утрачены кровля, настенная живопись и элементы интерьера. Сохранились лишь фрагменты фрески «Воскрешение Лазаря».
В начале XXI века начались работы по консервации и восстановлению храма. В 2006 году в первом ярусе колокольни было оборудовано помещение для богослужений. С 2021 года проводятся работы по консервации здания, включая устройство временной кровли и укрепление несущих конструкций.