Село Орловка впервые упоминается в Писцовой книге города Дедилова 1588 года под названием «Село Новое Долгая слободка управоповороте на речке Олешне» и принадлежало князьям Голицыным.В этот период в селе существовала деревянная Воскресенская церковь с приделом во имя Николая Чудотворца.
В 1809 году на средства местных дворянок девиц Арсеньевых была построена каменная церковь во имя святителя Николая Чудотворца. В 1843 году началось строительство колокольни, в нижнем этаже которой был устроен придел во имя Нерукотворного Образа Спасителя. В 1867 году колокольня была соединена с основным храмом, и придельный алтарь перенесён в трапезную часть церкви с правой стороны. В 1884 году в главном храме старый иконостас был заменён новым четырёхъярусным.
К началу XX века в приход храма входили следующие населённые пункты: село Орловка, сельцо Дмитриевка, сельцо Олень, Оленские выселки, сельцо Кибен, деревни Дубовка и Чёрная Грязь. Общее число прихожан составляло около 2 706 человек. При храме действовали земская школа и школы грамоты в нескольких населённых пунктах прихода.
В советский период храм был закрыт и находился в полуразрушенном состоянии. В 2006 году началось его восстановление под руководством генерального директора ОАО «Рассвет» Алексея Петровича Медынцева. 17 октября 2010 года настоятелем храма был назначен иерей Евгений Вячеславович Шмаков. 8 сентября 2012 года митрополитом Тульским и Ефремовским Алексием был совершен чин освящения храма. В 2017 году в храме был образован придел в честь святого преподобного Амвросия Оптинского.
