Село Озерецкое известно с середины XV века. В 1454 году упоминается деревянная церковь Николая Чудотворца. До 1654 года село входило в состав дворцового ведомства, после чего было пожаловано царём Алексеем Михайловичем патриарху Никону.
В 1703 году по указу Петра I началось строительство каменного храма на месте ранее существовавшей деревянной церкви. Строительство велось под руководством боярина Ивана Алексеевича Мусина-Пушкина и продолжалось пять лет, завершившись в 1708 году освящением храма. Архитектура храма представляет собой типичный для того времени стиль «восьмерик на четверике» с трёхъярусной шатровой колокольней, что является характерным примером московского барокко.
Изначально храм имел один престол в честь святителя Николая Чудотворца. В XIX веке были проведены значительные изменения: в трапезной устроены два придела — в честь Воздвижения Честнаго и Животворящего Креста Господня и в честь священномученика Харлампия, епископа Магнезийского. В последнем также хранилась частица его мощей.
До 1939 года храм продолжал функционировать, однако затем был закрыт, а его имущество разграблено. В 1990 году здание было передано православной общине, начались восстановительные работы, и богослужения были возобновлены. При храме была организована воскресная школа для детей.