Преподобный Варнава Ветлужский, в честь которого назван храм, жил в XV веке и был священником в одном из храмов Великого Устюга. После набега черемисов в 1417 году он принял монашество и отправился на реку Ветлугу, где основал монашеское поселение. На месте его подвигов впоследствии возник Троицкий Варнавин монастырь, первое упоминание о котором содержится в жалованной грамоте царя Иоанна IV от 26 июля 1551 года.
В 1764 году Троицкий Варнавин монастырь был упразднён и преобразован в приходскую церковь. В 1778 году село Варнавина Пустынь было преобразовано в город Варнавин, который стал центром уезда Костромской губернии. С образованием города Никольский и Троицкий храмы бывшего монастыря стали соборными храмами Варнавина.
В 1912 году, из-за угрозы разрушения Никольского храма, мощи преподобного Варнавы были перенесены в каменный Троицкий храм. В 1914 году мощи были помещены в серебряную раку. Однако в 1922 году, в ходе кампании по изъятию церковных ценностей, рака была конфискована, а мощи остались в Троицком храме. В начале 1930-х годов храм был переоборудован под клуб, и мощи были перенесены в деревянную кладбищенскую церковь Архангела Михаила. По преданию, в 1937 году мощи были тайно преданы земле на кладбище.
С конца 1980-х годов началось восстановление почитания преподобного Варнавы. В 1999 году в Варнавине была заложена деревянная церковь в честь преподобного, которая была освящена в 2000 году. Архитектором интерьеров и иконостаса выступил А.В. Анциферов.
В 2008 году территория бывшего Троицкого Варнавинского монастыря была передана Нижегородской епархии, и был подготовлен проект восстановления обители.
