Первоначальное строительство храма относится к 1784 году, когда на месте ветхой деревянной церкви был возведён каменный храм. Согласно указу архиепископа Псковского и Рижского Иннокентия от 10 июня 1782 года, строительство было санкционировано и завершено в 1784 году. Основной объём храма представляет собой одноглавый четверик с полукруглой апсидой, выполненный из плитняка. В 1871 году к северной стороне храма был пристроен кирпичный придел во имя преподобного Никандра Псковского, который в 1907 году был расширен к западу. Колокольня, также каменная, была построена одновременно с основным объёмом храма и соединена с ним широкой трапезной. Храм имел пять колоколов.
Внутреннее убранство храма включало иконы, среди которых особо почитались иконы святителя Николая Чудотворца, преподобного Никандра и икона "Всех скорбящих радость", выписанная в 1899 году из Пантелеймоновского Афонского монастыря. Храмовая икона святителя Николая имела серебряный венец, устроенный в 1710 году столоначальником Кириллом Авраамиевым Пестовским.
В 1937 году храм был закрыт, а колокольня разрушена. Во время оккупации в годы Великой Отечественной войны храм был вновь открыт и с тех пор не закрывался. С 1940-х годов в храме хранится чудотворный Чирский образ Божией Матери.
В настоящее время храм Николая Чудотворца в посёлке Палкино является действующим православным храмом и объектом культурного наследия регионального значения. Богослужения проводятся регулярно, храм поддерживается силами прихожан и местного духовенства. Проводятся работы по ремонту и сохранению здания, включая замену окон, ремонт крыши и восстановление фасадов.
