Первое письменное упоминание о селе Осташково относится к началу XVII века, когда оно находилось во владении князей Черкасских. В 1617 году по распоряжению князя Ивана Борисовича Черкасского в Осташкове была построена деревянная церковь в честь Рождества Христова с приделом святителя Николая Чудотворца. Однако эта церковь вскоре сгорела, и 17 октября 1621 года Святейший Патриарх Филарет выдал князю храмозданную грамоту на строительство новой церкви на том же месте. В Писцовой книге за 1623 год отмечается, что «в церкви образы и свечи, и книги, и на колокольнице колокола строенье боярина князя Ивана Борисовича Черкаскаго».
В 1666 году усадьбу унаследовал князь Михаил Яковлевич Черкасский, ближний боярин и последний воевода Тобольска. При нём в 1699 году деревянная церковь была заменена на новую кирпичную, которая сохранилась до наших дней. Предположительно, строительство велось под руководством крепостного архитектора Павла Потехина.
В 1743 году село Осташково вместе с прилегающими деревнями перешло во владение графов Шереметевых. В период их управления, в 1815 году, к Христорождественской церкви была пристроена новая каменная колокольня по проекту архитектора К.С. Орденова. В 1830 году был добавлен придел во имя пророка Илии.
В 1894 году церковь была утеплена, к колокольне пристроена ризница, а в 1906 году проведён капитальный ремонт. Благодаря тому, что храм не закрывался даже в советское время, он сохранил свой исторический облик и многие старинные киоты с намоленными иконами.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное здание в стиле русской православной архитектуры конца XVII — начала XVIII века. Основной объём храма увенчан пятиглавием, характерным для того периода. Колокольня, пристроенная в 1815 году, выполнена в стиле ампир и состоит из трёх ярусов, что придаёт сооружению величественность и гармоничность.
