Возведение церкви связано с периодом активного строительства храмов в России в конце XVII — начале XVIII века.Первоначально на этом месте находилась деревянная церковь, упоминание о которой датируется 1694 годом в «письменной книге» Фёдора Беречинского, владимирского губного старосты.
В 1702 году был выдан антиминс для новопостроенной Варваринской церкви. Впоследствии деревянный храм был заменён каменным. Точная дата завершения строительства каменной церкви неизвестна, однако достоверно установлено, что в 1821 году была возведена трёхъярусная колокольня в стиле зрелого классицизма.
Архитектурный облик Варваринской церкви представляет собой сочетание строгого основного объёма и более декоративной колокольни. Основной объём храма — двусветный четверик с пятиглавием, отличающийся аскетичным декором. Прямоугольные окна второго яруса оформлены сандриками и подоконными выступами, на верхнем ярусе — рамочными наличниками. Углы четверика и трапезной части скруглены, апсида имеет вытянутую полуовальную форму. Колокольня, построенная позднее, украшена фронтонами, колоннами и высокими арочными проёмами, характерными для классицизма.
В интерьере храма сохранились клеевые росписи середины XIX века на евангельские темы: «Несение креста», «Пригвождение к кресту», «Положение во гроб» и «Воскресение». Эти композиции выполнены в технике гризайль и обрамлены орнаментом с элементами барокко.
В советский период Варваринская церковь претерпела значительные изменения. В её стенах размещались различные производственные цеха, что привело к утрате многих элементов внутреннего убранства. В начале 1980-х годов начались реставрационные работы, и в 2007 году храм был передан Николо-Шартомскому монастырю.
