Первое упоминание о храме в селе Барнуковка относится к 1874 году, когда тщанием прихожан была построена деревянная трехпрестольная церковь с колокольней. Главный престол освятили в честь Казанской иконы Божией Матери, приделы — во имя святителя Николая Чудотворца и великомученика Пантелеимона. При церкви действовали штат священнослужителей, церковно-приходская школа и попечительство.
В 1920-х годах храм был полностью разрушен. Возрождение приходской жизни началось в ноябре 1999 года, когда жители села обратились в Саратовскую епархию с прошением о создании православного прихода. В 2000 году по благословению архиепископа Саратовского и Вольского Александра (Тимофеева) образована православная община.
Для богослужений администрация села выделила здание бывшего магазина, которое было переоборудовано под храм. В апреле 2000 года совершён чин положения антиминса и первая Божественная литургия. Храм сохраняет посвящение исторической церкви — в честь Казанской иконы Божией Матери.
С 1893 по 1920-е годы в селе служил священник Лев Архангельский, организовавший в 1894 году метеорологическую станцию. Его научная деятельность была отмечена Николаевской главной физической обсерваторией. При храме существовала церковно-приходская школа, где преподавала супруга священника.
Архитектурный облик современного храма обусловлен адаптацией светского здания под церковные нужды. Историческое здание XIX века имело традиционные для деревянного зодчества формы с трёхчастной алтарной апсидой и шатровой колокольней. Нынешний храм является преемником дореволюционной церковной традиции села Барнуковка.
