Первоначально это была каменная холодная двухпрестольная церковь, главный престол которой освящен в честь святителя Николая Чудотворца, а придельный — во имя Покрова Пресвятой Богородицы.
В 1869 году к храму была пристроена трапезная, что расширило его пространство и позволило увеличить количество прихожан, участвующих в богослужениях. В период с 1907 по 1911 годы, по проекту архитектора В.И. Фреймана, трапезная была значительно расширена. Фасады основного объема, алтаря и трапезной были выровнены, образуя в плане прямоугольник. Алтарная часть несколько понижена, а над трапезной возвышается ярус колокольни. Северный и южный фасады храмовой части оформлены в виде четырехпилястровых портиков с профилированными прямоугольными окнами, завершенными сандриками в виде треугольных фронтонов. Простенки между окнами украшены плоскими пилястрами.
В 1839 году в документах упоминается диакон Иван Петрович Петров, родившийся около 1803 года и окончивший Тамбовскую духовную семинарию в 1826 году. К 1876 году Никольская церковь не имела собственного штата и обслуживалась священнослужителями из Архангельской церкви села Фащевка: священниками Василием Васильевичем Волковым и Петром Сергеевичем Кедровым. Церковным старостой с 1874 года был государственный крестьянин Бахаев.
В конце XIX — начале XX века штат церкви состоял из священника, диакона и двух псаломщиков. Среди них были священник Василий Васильевич Волков, награжденный наперсным крестом, диакон Александр Николаевич Виндреевский и псаломщик Павел Кондратьевич Флерин.
В 1935 году, в период антирелигиозной политики советской власти, храм был закрыт. Однако уже в 1945 году церковь была возвращена верующим и вновь открыта для богослужений, что являлось редким случаем в то время.
В 2005 году началась масштабная реставрация храма, завершившаяся в 2012 году. В ходе работ были восстановлены архитектурные элементы здания, включая фасады и внутреннее убранство. В настоящее время храм Николая Чудотворца в селе Двуречки является действующим и продолжает служить духовным центром для местных жителей.
Постановлением главы администрации Липецкой области от 27 февраля 1992 года храм признан объектом культурного наследия регионального значения.
