Первое упоминание о церкви на территории села Вельяминово, предшествовавшего Владыкину, относится к 1627 году. В этот период, когда владельцем села был князь Иван Иванович Шуйский, была построена деревянная церковь в честь Рождества Пресвятой Богородицы, заменившая обветшавший Никольский храм. В 1653 году село перешло в собственность патриарха и получило название Владыкино. 19 мая 1690 года царь Пётр I вместе с патриархом Адрианом посетили Владыкино и молились за литургией в местном храме.
В 1770 году на месте деревянной церкви был возведён первый каменный храм. Колокольня была построена графом Кириллом Григорьевичем Разумовским, владельцем соседнего села Петровское. В 1854–1858 годах церковь была полностью перестроена по проекту архитектора А.Ф. Ярошевского. Новый трёхпрестольный храм с приделами в честь архангелов Михаила и Гавриила был освящён в 1860 году митрополитом Московским Филаретом (Дроздовым). Историк Иван Снегирёв в своём дневнике от 31 июля 1860 года подробно описал церемонию освящения и последующую трапезу, организованную храмоздателем купцом Гавриилом Матвеевичем Толоконниковым.
В советский период храм не прекращал свою деятельность, несмотря на антирелигиозную политику государства. В 1970-х годах, во время строительства эстакады на Алтуфьевском шоссе, существовали планы сноса храма, однако усилиями прихожан и общественности святыню удалось сохранить.
В 2013 году в храме впервые за постсоветский период состоялось патриаршее богослужение, которое возглавил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл.
К числу особо почитаемых святынь храма относятся древние иконы XVII века: образ Николая Чудотворца с 16 клеймами жития, иконы Рождества Пресвятой Богородицы, Смоленской и Казанской Божией Матери. Также в храме хранятся частицы мощей ряда святых и дар патриарха Адриана — Евангелие XVII века.
