Храм Николая Чудотворца в Троекурове известен с XVI века, когда на этом месте находилось село Хорошёво (также называемое Никольским), принадлежавшее боярину Ивану Ивановичу Годунову. В этот период здесь уже существовал деревянный храм, освящённый во имя святителя Николая Мирликийского. В XVII веке село перешло во владение князей Троекуровых, по фамилии которых и получило своё название. В 1640-х годах при новых владельцах была возведена новая деревянная церковь.
Каменный храм в стиле раннего московского барокко с элементами петровского барокко строился с 1699 по 1706 год. Архитектор здания остаётся неизвестным, однако проект признаётся оригинальным для своего времени. Первоначально храм венчала необычная корона вместо традиционной луковичной главы. Основной объём представляет собой двухъярусный четверик со скруглёнными углами, на который поставлена крупная ротонда с барабаном и главой. Внутренняя планировка включает вписанную ротонду, практически совпадающую по размерам с купольной.
Одновременно с храмом была построена шатровая колокольня, которая в 1745 году была заменена на сохранившуюся до настоящего времени трёхъярусную колокольню в стиле барокко. В середине XVIII века село перешло к Салтыковым, при которых завершилось формирование архитектурного ансамбля. С этого времени и до закрытия храма в 1931 году его внешний облик не претерпевал существенных изменений.
После закрытия храма венчающие главы и кресты были сняты, внутреннее убранство утрачено. Здание использовалось кожевенным заводом, а в послевоенное время - организацией «Совэкспортфильм» в качестве склада кинолент. В 1991 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, в 1992 году возобновлены богослужения. В последующие годы проведены реставрационные работы, восстановлен исторический облик здания.
Архитектурный ансамбль включает основной объём храма и колокольню. Декоративное оформление сочетает элементы московского и петровского барокко, включая закруглённые формы четверика, белокаменные фасадные детали, широкие арки звона на втором ярусе колокольни и круглые декоративные окна на третьем ярусе. Храм является объектом культурного наследия и находится под государственной охраной.