Строительство каменного храма было начато в 1873 году на месте прежней деревянной церкви XVIII века, которая к тому времени пришла в ветхое состояние и не вмещала всех прихожан. Возведение нового здания завершилось в 1885 году. Средства на строительство были собраны прихожанами, а также предоставлены одним из трубчевских купцов. Храм стал правопреемником церкви села Арельск, и после его постройки богослужения были перенесены в Гнилёво.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное здание, выполненное в стиле эклектики с элементами классицизма и русско-византийского стиля. Он имеет крестово-купольную структуру с четырьмя массивными столбами, поддерживающими купол. Фасады украшены лопатками на углах, упрощёнными антаблементами и арочными проёмами с ленточными обрамлениями. Колокольня состоит из трёх ярусов и примыкает к западной части храма.
Внутри храма размещались три престола: главный — в честь Рождества Пресвятой Богородицы, правый — во имя святителя Николая Чудотворца, левый — в честь святых бессребреников Космы и Дамиана. Интерьер был украшен росписями, фрагменты которых сохранились до настоящего времени.
В 1933 году приходская община обратилась во ВЦИК с жалобой на неправомерное закрытие храма. Тогда богослужения были временно возобновлены, однако в 1937 году храм был окончательно закрыт. В 1938 году здание было передано под клуб, а в послевоенные годы использовалось как зерносклад.
В конце 1960-х годов храм был обследован архитекторами, которые отметили сохранившиеся элементы декора и росписи купола. Несмотря на то, что здание находится под государственной охраной как памятник архитектуры, его состояние требует значительных реставрационных работ. Попытки консервации, намеченные на 1990–1991 годы, не были реализованы.
В 1991 году храм был передан воссозданной приходской общине, однако из-за аварийного состояния здания богослужения в нём не проводятся. С 7 января 2000 года богослужения проходят в молитвенном доме, устроенном в бывшем магазине по адресу: Центральная улица, дом 84.
В 2017 году был проведён внешний ремонт купола и завершения каменного храма. Тем не менее, здание остаётся в аварийном состоянии и требует дальнейших реставрационных работ для полного восстановления.