Строительство храма было инициировано в начале XIX века отставным полковником Иваном Артамоновичем Кожиным (1781–1833), владельцем местного имения. В 1823 году был возведен летний храм-ротонда, освященный во имя священномученика Автонома Италийского. Позднее, в 1833 году, рядом была построена зимняя церковь с колокольней, посвященная святителю Митрофану Воронежскому.
Архитектурный ансамбль храма представляет собой редкий для сельской местности образец классицизма. Летний храм выполнен в форме ротонды, окруженной колоннадой, что придает ему величественный и гармоничный облик. Считается, что проект храма мог быть создан одним из столичных архитекторов, однако точное авторство остается неизвестным.
К концу XIX века здание храма обветшало, и в 1900–1901 годах была проведена его реставрация. В ходе работ обновили настенные росписи, которые выполнил художник Шеламов, обучавшийся в Санкт-Петербургской академии художеств. Он использовал в качестве образцов росписи Владимирского собора в Киеве, созданные Виктором Васнецовым. Некоторые источники ошибочно приписывали авторство росписей самому Васнецову, однако исследования подтвердили, что их выполнил именно Шеламов.
После революции храм был закрыт и использовался не по назначению, что привело к его значительному разрушению. Купол ротонды обрушился, часть колоннады была повреждена, а внутренние росписи пострадали от времени и ненадлежащего использования здания.
В 2004 году начались работы по восстановлению храма. 7 января того же года на здании был установлен крест, ранее венчавший церковь Автонома, и состоялось освящение храма братией Задонского Рождества-Богородицкого мужского монастыря. С тех пор в храме возобновились богослужения, и он вновь стал действующим.
