В середине XVIII века на месте современного храма находился деревянный храм Воскресения Христова. В 1775 году на его месте был заложен новый каменный храм. Инициатором строительства выступил тверской купец Григорий Богданов. С благословения архиепископа Тверского Арсения храм был переименован в честь преподобного Сергия Радонежского. Это произошло после возвращения архиепископа Арсения из Троице-Сергиевой лавры, где он получил в дар икону с частицей мощей преподобного Сергия.
Архитектурный облик храма соответствует стилю нарышкинского барокко. Здание представляет собой восьмерик на высоком двухсветном четверике, с гранёной апсидой на востоке и трапезной с притвором на западе. Притвор служил основанием для колокольни, которая не сохранилась. Верхний храм соединён с наружной крытой лестницей с крыльцом "на два всхода". Фасады украшены барочными наличниками окон с разорванными фронтонами, кирпичными карнизами и лопатками на углах.
В 1930-х годах храм был закрыт. Верхние ярусы колокольни были разрушены. В 1977 году в ходе реставрации была восстановлена луковичная главка над барабаном. В начале 2013 года были оформлены документы на регистрацию прихода. 6 августа 2013 года, в день памяти святых благоверных князей Бориса и Глеба, в храме впервые за 95 лет была совершена Божественная литургия. В настоящее время храм является подворьем Нило-Столобенской пустыни.
