Согласно приправочным книгам 1616 года, территория, на которой ныне расположено село Осово, упоминается как пустошь, ранее бывшая деревней. Половина этой пустоши принадлежала Силе Иванову сыну Есипову, другая половина — вдове Ивановой жене Борыкова. В 1710 году в селе Никольском, ранее известном как деревня Осово, была построена первая деревянная Никольская церковь. К 1828 году, по инициативе и на средства помещицы генерал-майорши Елены Павловны Мещеряковой, началось строительство каменного храма. К 1834 году строительство было завершено.
Архитектурно храм выполнен в стиле классицизма. Здание каменное, с аналогичной колокольней, соединённой с основным объёмом. Внутреннее пространство включает три престола: главный — в честь святителя Николая Чудотворца, правый придел — во имя равноапостольных царей Константина и Елены, левый придел — во имя святителя Димитрия Ростовского.
В 1915 году при храме функционировали церковно-приходские школы в селе Осово и деревнях Серкова и Перекаль, размещавшиеся в наёмных помещениях и содержавшиеся за счёт крестьянского общества. Согласно клировым ведомостям того времени, церковный причт состоял из священника, диакона и псаломщика, получавших жалование в размере 550 рублей. Кружечный доход составлял 750 рублей, дополнительный капитал поступал от вкладов в банке. Земельные владения храма включали 4 десятины под погостом, 20 десятин пахотной земли, 10 десятин сенокосной и 10 десятин неудобной земли под реками и буграми. Жилые дома для церковнослужителей были построены на усадебной земле за собственный счёт.
В 1939 году, на основании постановления Оргкомитета от 21 ноября, храм был закрыт и подлежал переоборудованию под медицинское учреждение в течение трёх месяцев.
