Село Петровское, расположенное на реке Олховке, известно с XVI века. В 1570-х годах здесь существовала деревянная церковь во имя святителя Николая Чудотворца. В 1646 году село числилось в дворцовом ведомстве и включало несколько деревень: Левоново, Васильева, Шилова, Тяжино и Вертячино. В 1680 году в селе упоминается деревянная церковь Николая Чудотворца с церковной землёй и сенокосами. В 1717–1722 годах церковь оставалась деревянной.
В 1731 году село Петровское было пожаловано графу Семёну Андреевичу Салтыкову, а затем перешло к его сыну, графу Петру Семёновичу Салтыкову. В 1777 году граф Иван Петрович Салтыков, сын Петра Семёновича, построил в селе каменную церковь во имя святителя Николая Чудотворца. До верхней перемычки окон храм был сложен из белого камня, выше — из кирпича. Архитектура храма максимально проста: одноглавый четверик с одноярусной колокольней, выполненный в традициях XVII–XVIII веков.
В 1961 году церковь была закрыта, разграблена и пришла в запустение. Местные жители разобрали белокаменный фундамент более чем на метр вглубь. Внутри храма всё было разрушено: пол перекопан, окна и двери сняты, иконостас уничтожен. Крыша заросла деревьями и травой. Вплотную к стенам церкви были устроены захоронения.
В 2000 году полностью обветшалое здание храма было передано верующим. Прихожане соседних сёл в 2000–2005 годах восстановили фундамент храма, привели в порядок пол в алтарной части, покрыли жестью крышу над алтарём, центральной частью и на колокольне, установили крест с луковицей.
