Первое упоминание о деревянном храме на этом месте относится к 1627 году, о чем свидетельствуют писцовые книги князя Волконского. В документах указано, что церковь с престолом во имя святого великомученика Димитрия Солунского была построена на средства приходских людей. Переписная книга города Вязьмы за 1646 год уже не включает Ямскую церковь в городскую черту.
В 1763 году на месте обветшавшего деревянного храма был возведен каменный храм Рождества Христова. Строительство велось на средства купца Тимофея Филипповича Бубкова и зажиточных ямщиков-прихожан. Центральный престол освятили в честь Рождества Христова. С западной стороны к храму пристроили трехъярусную колокольню и два зимних придела, соединенных трапезной. Северный придел освятили во имя Димитрия Солунского, южный - во имя преподобного Нила Столобенского. Территорию обнесли каменной оградой с коваными решетками.
В период Отечественной войны 1812 года храм, расположенный у Старой Смоленской дороги, был разграблен и серьезно поврежден французскими войсками. Богослужения возобновились только к 1832 году. В 1843 году на средства вяземских купцов Фатовых был расширен и украшен придел Нила Столобенского.
К концу XIX века приход храма насчитывал 2678 человек. При церкви действовали одноклассная церковно-приходская школа и школа грамоты. В 1922 году из храма изъяли церковные ценности, включая серебряную утварь, иконы в драгоценных окладах и богослужебные сосуды. В 1930 году храм закрыли, колокола отправили на переплавку. В годы Великой Отечественной войны здание пострадало от боевых действий.
В 1974-1978 годах проведена реставрация под руководством архитектора М.В. Чулановской. С 1979 года в здании размещался филиал Государственного архива Смоленской области. Богослужения возобновились в январе 2015 года.
