Первое упоминание о храме датируется 1750 годом. В то время приход церкви насчитывал 385 мужчин и 365 женщин. К 1830 году общее число прихожан увеличилось до 1113 человек. Это свидетельствует о росте населения и значимости храма для местных жителей.
В XIX веке Новозыбков был преимущественно старообрядческим городом. Несмотря на наличие трёх единоверческих церквей — Преображенской, Никольской и Рождественской — православные верующие, придерживавшиеся нового обряда, не имели собственного храма в городе. В результате они были приписаны к Людковскому приходу.
В 1963 году, после кончины настоятеля храма протоиерея Виталия, церковь была закрыта. Здание не использовалось для хозяйственных нужд, и даже кресты на куполах не были сняты, что было редкостью в период атеистических гонений. Несмотря на признание церкви памятником архитектуры в 1979 году, она находилась в запустении и постепенно разрушалась.
В 1999 году инициативная группа прихожан начала работы по восстановлению храма. Проект реконструкции разработала главный архитектор города Мария Комарова. К тому времени сохранилось лишь около 20% первоначального здания. На Рождество в 2012 году в церкви прошло первое после долгого перерыва богослужение. В сентябре того же года настоятелем был назначен иеромонах Иоанн (Скабара), благодаря усилиям которого удалось завершить восстановление церкви.
В июле 2015 года новым настоятелем храма стал иерей Иоанн Цыганок, который сосредоточился на благоустройстве прилегающей территории. 17 мая 2018 года епископ Клинцовский и Трубчевский Владимир совершил великое освящение восстановленного храма, что ознаменовало завершение многолетних усилий по его возрождению.
