История храма восходит к XV–XVI векам, когда в Котлованово существовала деревянная церковь. Современное здание является четвертым по счету на этом месте. В 1834 году помещица Прасковья Петровна Бутенева подала прошение о строительстве каменного храма взамен обветшавшей деревянной церкви. Строительство началось в 1838 году и продолжалось несколько десятилетий. После смерти Прасковьи Петровны работы продолжил её супруг, подполковник Михаил Михайлович Щербов, который скончался в 1886 году и был похоронен под храмом. Главный престол был освящен в 1897 году, а роспись интерьера завершена в 1911 году.
Архитектурно храм выполнен в стиле позднего классицизма. Он представляет собой кирпичное здание с крестообразным планом, завершенное массивным световым барабаном с двенадцатью окнами, перекрытым куполом. К основному объему примыкает обширная трапезная с двумя приделами и четырехъярусная колокольня. Фасады украшены портиками с колоннами тосканского ордера, антаблементом и фронтонами. Окна нижнего яруса прямоугольные, на барабане — арочные. Внутреннее убранство включает настенную живопись в академических традициях и иконостасы в формах эклектики.
В начале XX века Котлованово было селением с церковью, больницей, школой и лавкой. Школа, открытая в 1881 году как церковно-приходское училище, с 1896 года стала земским училищем. Больница, построенная до 1880 года, была первой на территории современного Бологовского района. Ежегодно 28 октября (по старому стилю) в селе проводилась ярмарка.
Церковь функционировала до декабря 1957 года, когда богослужения были прекращены. В последующие десятилетия здание находилось в запустении. В 1993 году начались работы по сохранению храма. В сентябре 2023 года были освящены и установлены первые четыре колокола, что стало важным этапом в восстановлении церковной жизни.
