Каменный храм во имя священномученика Петра Александрийского с приделом в честь иконы Божией Матери «Знамение» был возведен в 1766 году на средства помещика Петра Артемьевича Локустова (в отдельных источниках упоминаемого как Локстов). Село Долгоруково, основанное в конце XVII века князем Иваном Ивановичем Долгоруким, к середине XVIII века перешло во владение Локустова, при котором численность населения достигла 220 дворов.
Архитектурный облик храма выполнен в стиле барокко. Здание представляет собой прямоугольный объем под двускатной крышей с полукруглой апсидой с восточной стороны. Над храмовой частью возвышается глава на восьмигранном деревянном барабане. Трехъярусная колокольня, встроенная в объем трапезной с западной стороны, состоит из двух четвериковых ярусов и восьмигранного звона, увенчанного куполом со шпилем. Барочные элементы декора выражены в рустовке углов, межоконных простенков и наличниках оригинальной формы.
В 1837 году владелица села А.Ф. Горбунова освободила крепостных, что вызвало недовольство соседних помещиков. Крестьяне получили статус свободных хлебопашцев. В 1930 году храм был закрыт. В 1991 году в селе зарегистрирован приход, возобновивший богослужения в историческом здании под наименованием Знаменской церкви. В 1998 году храм официально открыт после длительного периода забвения.
Село Долгоруково входило в состав Репьевской волости Сердобского уезда Саратовской губернии. В начале XX века при храме действовала церковно-приходская школа. В советский период здание сохранило первоначальную объемно-пространственную композицию, несмотря на прекращение богослужебной деятельности.