В 1654 году село Дунилово пережило эпидемию холеры, после избавления от которой на месте нынешнего храма была сооружена каменная часовня в знак благодарности и памяти о спасении. Впоследствии, в 1821 году, на средства местных крестьян часовня была перестроена в церковь. В 1867 году по инициативе и на средства купца А. Я. Балина была возведена колокольня, а в 1870 году храм был расширен и обновлен, приобретя современные формы.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное здание, выполненное в стиле эклектики с элементами русско-византийского стиля. Колокольня, построенная в 1867 году, гармонично дополняет общий ансамбль сооружения.
В советский период, начиная с 1939 года, храм был закрыт, а его здание использовалось под склад зерна. В результате этого периода здание утратило многие признаки церковной архитектуры и пришло в запустение.
В 1996 году начались работы по восстановлению храма. К празднику Воздвижения Креста Господня в 1998 году здание было оснащено новым куполом с крестом, завершена внутренняя отделка и начаты работы над иконостасом. С этого времени в храме возобновились регулярные богослужения.
