Первоначально здание было построено в 1911–1912 годах как Никольская старообрядческая церковь Белокриницкого согласия.Проект разработал сарапульский дорожный инженер Н. И. Максимов.Строительство велось на средства местной старообрядческой общины и купечества.
Архитектурно храм выполнен в псевдорусском стиле. Основной объём представляет собой пятиглавый четверик, соединённый небольшой трапезной с колокольней. Здание выстроено из красного кирпича, характерного для церковного зодчества начала XX века.
В 1940 году, согласно указу Президиума Верховного Совета УАССР от 13 июля, церковь была закрыта из-за отсутствия зарегистрированных прихожан. Здание передано воинской части под продуктовый склад.
В 1991 году здание храма передано общине Русской Православной Церкви. 22 ноября 1992 года епископ Ижевский и Удмуртский Палладий освятил храм во имя блаженной Ксении Петербургской, что сделало его первым в России храмом, посвящённым этой святой.
В 2013 году при храме построено здание для приходских нужд и воскресной школы, в котором в 2015 году разместилось епархиальное управление Сарапульской епархии.
В 2018 году на стене храма установлен тактильный барельеф с его изображением в рамках проекта «Город на ощупь». При храме действует община слепых и слепоглухих людей; в ноябре 2016 года в Сарапуле впервые совершена литургия с тифлосурдопереводом.
