История храма восходит к XVII веку, когда в селе Перемилово, ныне входящем в черту города Яхрома, существовала деревянная церковь во имя Архангела Михаила. В 1641 году, после перехода села во владение Семёна Васильевича Чаплина, была построена новая деревянная церковь в честь Вознесения Господня, с сохранением придела Архангела Михаила. К 1739 году деревянный храм был обновлён, однако к концу XVIII века вновь пришёл в ветхость.
В 1780-х годах генерал-майор Степан Степанович Апраксин приобрёл село Перемилово и инициировал строительство каменного храма. В феврале 1792 года Дмитровское духовное правление составило проект указа о строительстве нового храма, который был подписан митрополитом Московским и Калужским Платоном (Левшиным). Строительство кирпичной церкви началось в том же году и завершилось к 1801 году. Изначально храм имел два престола: в честь Вознесения Господня и Архангела Михаила. В 1801 году по просьбе С. С. Апраксина был устроен третий престол во имя святой великомученицы Екатерины, небесной покровительницы его супруги Екатерины Владимировны Апраксиной (урождённой княжны Голицыной). Освящение нового придела состоялось 17 августа 1802 года.
Архитектурный облик храма сочетает в себе элементы классицизма и псевдоготики. Здание представляет собой четырёхстолпную однокупольную постройку с боковыми приделами. Фасады украшены стрельчатыми окнами и декоративными элементами, характерными для псевдоготического стиля. Внутреннее убранство храма включает иконостас и росписи, выполненные в соответствии с православными канонами.
В период Великой Отечественной войны храм оставался действующим, несмотря на оккупацию города Яхрома в конце 1941 года. С 1944 по 1951 годы храм в Перемилове являлся центром Дмитровского благочиния. В последующие годы храм продолжал функционировать, сохраняя свою религиозную и культурную значимость.
