В ноябре 1829 года староста Николаевского собора в Нолинске, мещанин Меркурий Фёдорович Белянин, подал прошение настоятелю Вятского Трифонова монастыря о разрешении построить в городе ещё одну каменную церковь с колокольней в честь Успения Божией Матери. В том же году был заключён договор на строительство с крестьянином из Нижнего Новгорода Артемием Новожиловым. Храм решено было возвести в центре города на базарной площади, получившей впоследствии название Успенской. Руководство строительством поручили местному архитектору Петру Михайловичу Братухину совместно с техником Филиным. Каменная кладка здания была завершена в 1831 году, после чего начались отделочные работы и роспись стен.
26 октября 1836 года протоиерей Николаевского собора Иоанн Орлов освятил левый придел тёплого храма во имя святых апостолов Петра и Павла. В 1837 году был освящён второй придел в честь преподобного Сергия Радонежского. Главный престол холодного храма освятили 27 марта 1843 года в честь Успения Божией Матери. К 1845 году завершили кладку колокольни, и в августе 1846 года в храме начались регулярные богослужения.
В архитектурном плане храм представляет собой каменное здание высотой 28,4 метра. Вдоль продольной оси последовательно расположены двухсветный четверик храма с полукруглой апсидой алтаря, завершённый круглой ротондой, прямоугольная трапезная и трёхъярусная колокольня квадратной формы. Фасады выполнены в стиле классицизма, характерном для церковной архитектуры того периода.
В 1928 году церковь была закрыта, и с 1930 по 1935 год использовалась как кинотеатр. С 1936 по 1941 годы в здании размещался спортивный зал, а тёплое помещение служило складом заготовительного зерна. После многочисленных просьб верующих храм был вновь открыт 24 августа 1946 года. В 1985 году на колокольне были установлены колокола, и храм продолжил свою деятельность как центр православной жизни города Нолинска.
