История храма охватывает период с конца XVIII века до настоящего времени, отражая ключевые этапы его становления, архитектурные особенности и значимые события.
В 1785 году, в тогдашнем селе Семёновка (позднее переименованном в Плеханово), была построена первая деревянная церковь, посвящённая святителю Николаю Чудотворцу. К середине XIX века деревянное здание обветшало, и в 1850 году церковь была перестроена. Однако потребность в более просторном и долговечном храме привела к решению о строительстве каменного здания.
В 1883 году, на средства прихожан, была возведена каменная церковь во имя святителя Николая Чудотворца. Здание включает основной объём храма с тремя полуциркульными апсидами, перекрытый круглым световым барабаном; прямоугольную в плане трапезную и трёхъярусную колокольню. Первый ярус колокольни квадратный в плане, второй — восьмигранный, третий — круглый. Оконные проёмы прямоугольные с полуциркульным завершением. Верхняя часть первого яруса колокольни обработана рустом, второй ярус — пилястрами. Здание храма является примером позднего классицизма в культовом зодчестве последней четверти XIX века.
Согласно данным 1876 года, Никольская церковь была главной в округе, а приписной к ней являлась Богословская церковь села Головщино. Штат этих церквей состоял из настоятеля, двух помощников и трёх псаломщиков. Настоятелем был священник Пётр Яковлевич Глазков, рукоположенный в 1854 году. Помощниками служили священники Пётр Егорович Разумов, рукоположенный в 1862 году, и Семён Иванович Платонов, рукоположенный в 1873 году. Церковным старостой с 1865 года был государственный крестьянин Вереникин.
В 1893 году штат Никольской церкви состоял из священника, диакона и двух псаломщиков. Священником был Симеон Иванович Платонов, рукоположенный в 1873 году и награждённый набедренником. Диаконом служил Феодор Николаевич Новопокровский, окончивший первый класс семинарии и рукоположенный в 1866 году. Псаломщиком был Иван Владимирович Лукин, занимавший эту должность с 1865 года.
В начале XX века, согласно данным 1911 года, в селе Семёновка проживало 3998 человек, и функционировали две смешанные одноклассные школы — церковно-приходская и земская. Штат церкви Николая Чудотворца состоял из священника, диакона и двух псаломщиков. Церкви принадлежало 36 десятин земли на семи участках.
В 1925 году село Семёновка было переименовано в Плеханово в честь Георгия Валентиновича Плеханова, родившегося в соседней деревне Гудаловка.
В 1937 году, в период антирелигиозной политики советской власти, Никольский храм был закрыт. Священнослужители и активные прихожане подверглись репрессиям. Священник Леонид Васильевич Никольский, уроженец села Гуляево-Бредихино Краснинского района, был приговорён к расстрелу. Священник Владимир Петрович Лебедев, уроженец села Масловка бывшего Бобровского уезда Воронежской губернии, был приговорён к десяти годам лишения свободы. Председатель церковного совета Анна Степановна Рыбина, уроженка и жительница села Плеханово, также была приговорена к десяти годам лишения свободы. Все они были реабилитированы в 1960 году.
После закрытия храма здание использовалось не по назначению и постепенно приходило в упадок. Лишь в 1990 году церковь была вновь открыта для богослужений и начала реставрироваться. В настоящее время церковь является действующей и охраняется как объект культурного наследия.