12 августа 1912 года, в день рождения цесаревича Алексея Николаевича, состоялась церемония основания города Алексеевска (ныне Свободный) и закладка храма во имя святой равноапостольной великой княгини Ольги. В мероприятии приняли участие генерал-губернатор Николай Гондатти и епископ Евгений (Бережков). Первым настоятелем прихода был священник Александр Жуков. В декабре 1913 года храм был освящен и начал функционировать.
В начале 1930-х годов храм был закрыт, здание использовалось как тюрьма-пересылка. Во время Великой Отечественной войны в здании размещалась часть противовоздушной обороны, использовавшая его в качестве казармы; верхняя часть колокольни и купол были демонтированы.
В 1947 году храм был возвращен верующим, после ремонта в 1948 году возобновились богослужения. С тех пор храм остается действующим. В 1960-х годах предпринимались попытки закрыть храм, однако они не увенчались успехом.
Архитектурно храм представляет собой деревянное здание, построенное по образцовому проекту № 31 в стиле эклектики. Первоначально храм имел одну главу и трехъярусную колокольню. После восстановления купол и колокольня были воссозданы в упрощенном виде.
В настоящее время при храме действует детская воскресная школа. В 2015 году в храм была доставлена частица мощей святителя Николая Чудотворца.