Храм Казанской иконы Божией Матери в селе Петровка был построен в 1894 году как деревянная однопрестольная холодная церковь. Средства на строительство были собраны прихожанами, а иконы приобретены на пожертвования местного помещика, имя которого не сохранилось. Его могила находится на территории храма.
Село Петровка образовалось в 1824 году как хутор, основанный помещиком Ковальским из села Княжево. На хутор переселили 30 семей, среди которых наиболее влиятельной была семья братьев Петровых, по фамилии которых впоследствии и было названо село. Храм освятили в честь Казанской иконы Божией Матери, а престольный праздник установили на 22 октября по старому стилю (4 ноября по новому).
В 1937 году настоятель храма, протоиерей Андрей Вершинин, был арестован и отправлен в Коми АССР, а приход закрыт. В 1939 году богослужения прекратились, колокола сняли, а иконы разобрали прихожане. В годы Великой Отечественной войны власти планировали разобрать храм на стройматериалы, но председатель колхоза «Тамбовская правда» Иван Федорович Тетенев предотвратил разрушение, предоставив альтернативные ресурсы. В 1943 году здание использовалось как зернохранилище, что спасло его от уничтожения.
В 1946 году храм был вновь открыт после возвращения из заключения протоиерея Андрея Вершинина. С тех пор богослужения не прекращались. В 1993 году проведена реставрация: заменены купола, кресты, кровля и внешняя обшивка. В 2008 году выполнены дополнительные ремонтные работы.
Архитектурно храм представляет собой деревянную постройку с приземистым четвериком, восьмериком и луковичной главкой. С востока к нему примыкает алтарная апсида, а с запада — трапезная и двухъярусная шатровая колокольня. Внутри сохранились Царские врата с изображениями евангелистов, иконы Благовещения Пресвятой Богородицы и Спасителя.