Инициатива строительства храма возникла в 1867 году среди рабочих Ковровских железнодорожных мастерских. Поводом послужило покушение на императора Александра II, совершённое 4 апреля 1866 года революционером Дмитрием Каракозовым. В память о чудесном спасении государя рабочие обратились к инспектору Московско-Нижегородской железной дороги с просьбой разрешить строительство церкви на собственные средства. Святейший Синод дал согласие на устройство храма 22 февраля 1868 года.
Проект храма был разработан епархиальным архитектором Николаем Андреевичем Артлебеном, позднее также спроектировавшим Спасо-Преображенский собор в Коврове. Строительство началось в конце 1868 года и продолжалось до 1875 года. Финансирование осуществлялось за счёт пожертвований рабочих и служащих мастерских, а также личных средств директора Управления Шуйско-Ивановской железной дороги Ивана Андреевича Бусурина. Общая сумма собранных средств составила 19 829 рублей 86 копеек, из которых около 13 тысяч рублей пожертвовал И. А. Бусурин.
Храм был построен из красного кирпича в так называемом «русском романтическом стиле». В плане здание имело форму квадрата с прямоугольными пристройками с трёх сторон и полукруглой апсидой с восточной стороны. Над западным входом была устроена колокольня, на которую вела внутренняя лестница. Центральный купол диаметром 5,5 сажен был увенчан фонарём диаметром 1,5 сажени. Стены и купол внутри были оштукатурены.
Внутреннее убранство храма было выполнено самими рабочими мастерских. Иконостас, клиросы, киоты, подсвечники и паникадила были изготовлены из берёзы с отделкой ореховым деревом и украшены резьбой. Освящение храма состоялось 25 мая 1875 года архиепископом Владимирским и Суздальским Антонием (Павлинским). Престол был освящён в честь Феодоровской иконы Божией Матери — родовой иконы дома Романовых.
С 1898 года настоятелем храма стал Николай Александрович Преображенский, выпускник Московской духовной академии. Он активно занимался просветительской деятельностью, преподавал в местных учебных заведениях и возглавлял Ковровское отделение Владимирского епархиального училищного совета. При нём в 1900–1904 годах храм был расширен, объём увеличился более чем в два раза, и была построена новая четырёхъярусная колокольня. В это же время храм был оснащён отоплением и электрическим освещением.
После революции 1917 года храм продолжал действовать до 1924 года. В августе 1924 года он был закрыт постановлением Губисполкома. Колокольня и купола были разобраны, здание использовалось как клуб, затем как военный комиссариат, а после войны — как торговая база. Настоятель храма Н. А. Преображенский был арестован в 1923 году и выслан в Зырянскую область на три года. В 1930-х годах он был вновь арестован и умер в заключении на Соловках до 1939 года.
В ноябре 1998 года храм был вновь открыт для богослужений. В настоящее время продолжаются работы по его восстановлению. Восстановление осуществляется при поддержке местных жителей и предприятий, включая Ковровский экскаваторный завод, преемника Ковровских железнодорожных мастерских.
