Строительство каменного храма было завершено в 1880 году на средства прихожан. Церковь является двухпрестольной: главный престол освящён в честь Казанской иконы Божией Матери, а придельный — во имя святителя Николая Чудотворца.
Архитектурно храм выполнен в русско-византийском стиле с элементами эклектики, характерными для второй половины XIX века. Здание пятиглавое, высотой около 30 метров. Фасады украшены декоративными элементами, отражающими традиции православного зодчества того периода.
Приход был открыт в 1835 году и включал в себя село Сенцово и три деревни: Тынково (50 дворов, в одной версте от церкви), Яковлевка (26 дворов, в двух верстах) и Жуково-Елизаветина Задонского уезда Воронежской губернии (52 двора, в шести верстах). Общее число прихожан составляло около 3 026 человек, преимущественно великороссов, занимающихся земледелием.
При храме действовали образовательные учреждения: в селе Сенцово и деревне Жуково функционировали земские школы, а в Сенцово также была церковно-приходская школа. Законоучителям в земских школах выплачивалось жалованье в размере 48 и 60 рублей в год соответственно. Метрические книги велись с 1835 года. Штат причта состоял из священника, диакона и псаломщика. У причта имелось 33 десятины полевой земли и 3 десятины усадебной, расположенной в трёх верстах от церкви. Арендная плата за десятину земли составляла 20 рублей, а братский годовой доход достигал 2 000 рублей. Дома у причта были собственные.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной политики советской власти, храм был закрыт, и его здание использовалось для различных хозяйственных нужд. В 1990 году, в период возрождения духовной жизни в России, храм был вновь открыт для богослужений.
В настоящее время храм Казанской иконы Божией Матери в селе Сенцово продолжает функционировать, являясь центром духовной жизни местного населения. Прихожане активно участвуют в жизни прихода, поддерживая храм в надлежащем состоянии и участвуя в богослужениях.
