Село Нестерово впервые упоминается в писцовых книгах 1628–1629 годов как владение княгини Анисьи Урусовой и братьев Полозовых. На землях Урусовой находилась церковь Преображения Господня, которая в тот период стояла «без пения». Богослужения совершались в придельном храме во имя святителя Николая Чудотворца, построенном из дубового дерева с шатровым завершением. В придельной церкви сохранялся деисус, царские врата, местные иконы, ризы, книги и прочая церковная утварь, принадлежавшая вотчинникам.
В патриарших окладных книгах зафиксировано наличие в Нестерове только Никольской церкви. По переписным книгам 1678 года село значилось присёлком к селу Смоленскому, также принадлежавшему Урусовой. Сведений о времени прекращения существования первоначальной Никольской церкви не сохранилось, однако в ведомости о церквах Переславского уезда за 1799 год в Нестерове указана деревянная Преображенская церковь, построенная сенатором Петром Сергеевичем Свиньиным.
В 1841 году потомком храмоздателя, отставным ротмистром Петром Павловичем Свиньиным, был возведён каменный храм с колокольней, освящённый во имя Преображения Господня. При этом в селе продолжала существовать ветхая деревянная Никольская церковь. После ремонта в 1868 году престол каменного храма был переосвящён во имя святителя Николая Чудотворца в память о прежней Никольской церкви. Храм был обеспечен необходимой утварью, ризницей, иконами и богослужебными книгами.
Церковные документы, включая копии метрических книг с 1807 года и исповедные росписи с 1827 года, сохранялись в целости. Штат причта состоял из священника и псаломщика. Земельные владения храма включали усадебную, пахотную, сенокосную и неудобную земли. Приход составляли село Нестерово и деревни Крюково, Исаково и Скрипицыно, где по клировым ведомостям числилось 451 мужчина и 558 женщин православного вероисповедания. В селе действовала школа грамоты.
В начале XX века храм представлял собой кирпичное здание в стиле классицизма, прямоугольное в плане, с портиками и купольным завершением. В советский период купол был утрачен, а богослужения прекращены не позднее 1930-х годов. В 2000-х годах храм возвращён верующим и отремонтирован. В настоящее время является действующим.