В первой половине XVI века на месте современного Николо-Прозорово существовало село Шипилово, принадлежавшее князю Василию Семёновичу Серебряному. После его смерти село перешло во владение боярина Никиты Юрьевича, который построил здесь деревянную церковь в честь святителя Николая Чудотворца. Это событие стало ключевым в истории села, поскольку с этого момента оно стало называться Никольским.
В XVII веке село перешло во владение князей Прозоровских, которые сыграли значительную роль в его развитии. В 1792 году по заказу князя Андрея Ивановича Прозоровского на месте старой деревянной церкви был построен новый кирпичный храм во имя святителя Николая Чудотворца. Авторство проекта приписывается либо выдающемуся русскому зодчему Матвею Фёдоровичу Казакову, либо одному из его учеников.
Архитектурно храм представляет собой центрическое сооружение в строгом классическом стиле с крестово-купольной композицией. От кубического центра отходят четыре одинаковых прямоугольных рукава: два придела, апсида и притвор. Северный и южный рукава оформлены тосканскими портиками, а восточный и западный — четырёхпилястровыми портиками. Сферический купол завершается небольшим световым барабаном и луковичной главкой. Алтарь украшен колоннами и пилястрами с лепными капителями коринфского ордера. Вблизи западного портала на одной оси с храмом находится трёхъярусная колокольня, выстроенная в классическом стиле.
В клировых ведомостях за 1798 год указано, что церковь имеет три престола: главный — во имя святителя Николая Чудотворца, и два тёплых придела — в честь Рождества Иоанна Предтечи и преподобной Марии Египетской.
После смерти князя Андрея Ивановича Прозоровского в 1799 году усадьба перешла к его двоюродному брату, фельдмаршалу Александру Александровичу Прозоровскому, который продолжил обустройство усадьбы и поддерживал храм. В середине XIX века, в качестве приданого Анны Ивановны Прозоровской, имение перешло во владение князей Трубецких. При князе Юрии Ивановиче Трубецком были построены главный дом и два флигеля, а усадьба стала называться Никольское-Прозоровское, обиходно — Николо-Прозорово.
В дальнейшем имение переходило от одного владельца к другому. В конце XIX — начале XX века оно принадлежало фабриканту Ф.А. Рабенеку, купцу В.Г. Сычёву и промышленнику В.П. Рябушинскому. Несмотря на смену собственников, храм продолжал функционировать и оставался духовным центром для местных жителей.
В 1930-е годы, в период антирелигиозной политики Советского Союза, храм был закрыт, а его имущество конфисковано. В 1936 году трёхъярусная колокольня была снесена. Здание храма использовалось в различных хозяйственных целях, что привело к его постепенному разрушению.
В 1997 году, после распада Советского Союза и изменения государственной политики в отношении религии, храм был возвращён Русской Православной Церкви. Начались работы по его восстановлению, которые включали реставрацию фасадов, интерьеров и воссоздание утраченных элементов. Восстановленная колокольня вновь заняла своё место в архитектурном ансамбле.
