Село Большой Атмас было основано в XIX веке переселенцами из центральных губерний России. С увеличением числа жителей возникла потребность в строительстве православного храма для удовлетворения религиозных нужд населения. В начале XX века, благодаря усилиям местных жителей и при поддержке Омской духовной консистории, было принято решение о возведении церкви.
Строительство храма началось в 1905 году и продолжалось несколько лет. Здание было выполнено в традиционном русском стиле с использованием местных строительных материалов. Архитектурный облик церкви характеризовался сочетанием простоты и изящества, отражая каноны православного храмового зодчества того времени. В 1912 году храм был освящен во имя святого великомученика и целителя Пантелеимона, что символизировало надежду на духовное и физическое исцеление прихожан.
В период советской власти, особенно в 1930-е годы, многие религиозные учреждения подвергались закрытию и разрушению. Однако, благодаря усилиям местного населения и удаленности села от крупных административных центров, храм в Большом Атмасе избежал этой участи и продолжал функционировать, оставаясь центром духовной жизни села.
В послевоенные годы храм нуждался в ремонте и реставрации. Силами прихожан были проведены необходимые работы по восстановлению здания и обновлению внутреннего убранства. Внутреннее пространство храма украшали иконы, многие из которых были написаны местными иконописцами, что придавало особую ценность интерьеру церкви.
В 1990-е годы, с возрождением религиозной жизни в России, храм святого Пантелеимона в селе Большой Атмас стал местом притяжения не только для местных жителей, но и для паломников из других регионов. Были организованы воскресная школа для детей, библиотека духовной литературы, что способствовало духовному просвещению населения.
В начале XXI века, благодаря поддержке епархии и пожертвованиям прихожан, была проведена масштабная реставрация храма. Были обновлены фасады здания, восстановлены фрески и иконостас, благоустроена прилегающая территория. В 2012 году, в честь 100-летия со дня освящения, в храме прошли торжественные богослужения, собравшие множество верующих.