Согласно новгородской писцовой книге 1499 года, на месте современного храма находилась деревянная церковь во имя Николая Чудотворца. После присоединения Новгородской республики к Московскому царству в конце XV века, Коростынь стала дворцовой вотчиной. Писцовая книга 1629 года упоминает о существовании на погосте деревянной шатровой церкви Николая Чудотворца, сохранившейся после шведской оккупации 1611–1617 годов.
В 1721 году, в честь заключения Ништадтского мирного договора и 250-летия Коростынского мира 1471 года, императрица Екатерина I распорядилась о строительстве нового храма в Коростыни. Проект был поручен итальянскому архитектору Гаэтано Киавери, работавшему в Санкт-Петербурге. План храма был создан в 1722 году и хранится в собрании графики галереи Альбертина в Вене. Согласно клировой ведомости за 1882 год, строительство храма завершилось в 1736 году.
Архитектурный облик храма сочетает элементы петровского барокко с традиционными русскими формами. Центральная часть здания представляет собой восьмиугольник, переходящий в вытянутый прямоугольный объём, образуя хорошо освещённый зал. Грани украшены пилястрами с лепными коринфскими капителями. Западный фасад характеризуется выпуклым очертанием стен и колоннами, типичными для барокко. Колокольня была построена в начале XIX века и соединена с алтарной частью продолговатой трапезной по принципу «корабля». У трапезной имеются два боковых придела, за которыми расположены короткий трансепт и апсида.
Вокруг церкви находится кладбище. Ранее от дороги храм отделяла кованая ограда, которая была утрачена в 2014 году. Здание храма является объектом культурного наследия Новгородской области.
В 1930-х годах храм был закрыт. Во время Великой Отечественной войны, благодаря Псковской духовной миссии, богослужения были возобновлены. После войны храм продолжил свою деятельность; согласно отчёту Новгородской епархии за 1946 год, церковь в Коростыни была одной из двенадцати действующих в Новгородском благочинии и одной из тридцати шести во всей епархии. В 1943 году из Георгиевской церкви в Старой Руссе в храм был перенесён старинный иконостас, который после войны вернулся на прежнее место.
Главной святыней храма является список с иконы Старорусской Божьей Матери, сделанный с оригинала в 1877 году и перенесённый из Тихвина год спустя. Список отличается от оригинала тем, что в полях написаны лики святых: преподобный Иоанн Лествичник, преподобномученица Параскева Пятница, преподобная Мария Египетская, пророчица Анна, новгородские святые преподобные Варлаам Хутынский, Михаил Клопский, Антоний Римлянин, Антоний Леохновский и Ефрем Перекопский.
В 1961–1962 годах в Новгородский музей-заповедник были переданы иконы XIX века: «Воскресение – Сошествие во ад», «Святые Василий Великий, Иоанн Златоуст, Григорий Богослов», «Святой Николай Чудотворец (Никола Зарайский) с житием». Прежде они находились в храме. Периодически храму жертвуют иконы. В 2010 году несколько жителей Санкт-Петербурга подарили храму образы Пресвятой Богородицы и Георгия Победоносца.
