Первое упоминание о храме относится к 1466 году, когда в период эпидемии моровой язвы по обету была возведена деревянная церковь в честь новгородского святого Варлаама Хутынского.
В 1495 году на месте деревянного храма была построена каменная церковь. Архитектурно здание представляет собой четверик с размерами: длина — 9,25 м, ширина — 9 м. К западной стороне примыкает притвор длиной 5,25 м и шириной 11,5 м, над которым сооружена звонница с двумя пролетами, покрытая четырехскатной кровлей с крестом наверху. С южной стороны пристроен придел во имя святого Николая Чудотворца, длиной 25 м и шириной 7,5 м; с северной стороны — пристройка длиной 15 м и шириной 6,25 м.
В 1521 году церковь пострадала от пожара. Во время шведской осады Пскова в 1615 году, согласно «Повести о прихождении шведского короля Густава Адольфа ко граду Пскову», из главы Варлаамовской церкви велась стрельба по неприятелю.
В конце XVII века были внесены изменения в архитектурный облик храма: надстроен барабан и выложен поясок из двух рядов зелёных поливных изразцов. Время переделки первоначальной восьмискатной кровли на четырёхскатную точно не установлено. В 1851 году в храме были устроены хоры, на которые ведёт чугунная винтовая лестница. В 1858—1859 годах произведена перестройка южного (Никольского) придела, а в 1860 году в четверике были скруглены подкупольные столбы. В 1875 году осуществлена перестройка южного придела, сооружена пристройка с севера и паперть; растёсаны окна барабана. К 1900 году относятся последние переделки храма.
В 1930-х годах церковь была закрыта и использовалась под склад. Во время немецкой оккупации Пскова в 1942 году священником Константином Шаховским были возобновлены богослужения в храме. В 1960 году постановлением Совета Министров РСФСР № 1327 от 30 августа храм взят под охрану государства как памятник республиканского значения.
