История храма начинается с существования на его месте деревянной церкви во имя святителей Афанасия и Кирилла Александрийских, упоминаемой в списке брянских храмов 1628 года. Строительство каменного храма началось в 1755 году и завершилось в 1769 году. Возведение осуществлялось на средства прихожан при участии брянских купцов Бухтеевых. Первоначально храм был двухпрестольным: главный престол освящён в честь Тихвинской иконы Божией Матери, а второй — во имя святителей Афанасия и Кирилла. В 1863 году тёплая трапезная часть храма была расширена, и в ней устроен левый придел во имя святителя Тихона, епископа Воронежского.
Архитектурно храм представляет собой образец провинциального барокко. Здание выполнено из кирпича и оштукатурено. Основной объём храма — двухсветный четверик с восьмериком, увенчанным гранёным куполом и восьмигранным барабаном с главкой. Колокольня трёхъярусная, завершается высоким шпилем. Фасады украшены наличниками окон с декоративными элементами, характерными для барокко. В интерьере основное помещение перекрыто сомкнутым сводом со световым барабаном, алтарь — пятигранным, а трапезная и приделы — коробовыми сводами.
В конце XIX — начале XX века приход храма насчитывал около 680 прихожан, преимущественно мещан, жителей Новой слободы. При храме действовала школа грамоты. В 1931–1934 годах в храме служил архиепископ Даниил (Троицкий). В 1937 году настоятель храма священник Константин Афанасьев был арестован и расстрелян. В том же году храм был закрыт, верх колокольни и глава храма разобраны, внутри произведена перепланировка. Здание использовалось под клуб, общежитие, склад, а затем — архивохранилище.
В 1980-х годах храм был реставрирован с возвращением исторического облика по проекту архитекторов В. Н. Городкова и Э. М. Кодисовой. В 1991 году здание передано православной общине. После открытия храма была устроена воскресная школа, построены часовня и здание воскресной школы, приведён в порядок некрополь, отремонтированы три алтаря, заново установлены и расписаны иконостасы. В 1995 году центральный алтарь и храм были освящены.
