Село Вельяминово впервые упоминается в духовной грамоте великого князя Василия Тёмного в 1461 году, когда он передавал его в собственность своему сыну Борису Васильевичу. Название села, вероятно, происходит от фамилии его владельцев — представителей боярского рода Вельяминовых. В период татарских нашествий, особенно в 1571–1572 годах, село подвергалось разорению. Однако к 1678 году в переписных книгах оно значится как «новосельное сельцо Вельяминово» с господским двором и четырьмя крестьянскими дворами, где проживало 18 мужчин.
В 1684–1685 годах в селе была построена деревянная церковь во имя святителя Николая Чудотворца. В период правления Петра I селом владела Анна Михайловна Заболоцкая, по мужу Волынская, которая возвела в сельце деревянную церковь на каменном основании в честь Преображения Господня с приделом во имя Архистратига Михаила. Эта церковь существовала до 1872 года и являлась центром духовной жизни местного населения.
В 1861 году в селе произошёл пожар, в результате которого сгорело около 50 домов. Однако уже через два года после этого события местные жители обратились к митрополиту Филарету с просьбой разрешить строительство новой каменной церкви. 19 мая 1865 года было получено разрешение на строительство. Для изготовления кирпича был построен кирпичный завод, работу каменщика Евдокима Панина оплачивала московская мещанка Мария Ивановна Колоколова, а камень, бут, известь и лес прихожане доставляли бесплатно. Строительство церкви было завершено в 1870 году. 5 ноября 1872 года был освящён придел во имя Архистратига Михаила, а 1 июля 1873 года — главный престол во имя Преображения Господня и второй придел во имя Рождества Пресвятой Богородицы.
Архитектурно храм выполнен в русско-византийском стиле, характерном для церковного зодчества того периода. Он представляет собой каменное здание с тремя престолами: главным — в честь Преображения Господня и двумя приделами — во имя Архистратига Михаила и Рождества Пресвятой Богородицы. В 1884 году был установлен большой колокол весом 107 пудов и 3 фунта.
После революции 1917 года и установления советской власти начался период гонений на церковь. В 1936 году храм был закрыт, его имущество конфисковано, а здание использовалось в различных хозяйственных целях, включая размещение молодёжного клуба. Колокольня была взорвана, а внутреннее убранство разрушено.
Возрождение храма началось в 1992 году, когда здание было передано Русской Православной Церкви. Капитальный ремонт продолжался в течение многих лет, и благодаря усилиям прихожан и благотворителей храм был восстановлен. В 2000 году произошло событие, которое привлекло внимание верующих: на стекле киота иконы Божией Матери «Казанская» отобразился её нерукотворный образ. Это явление было признано чудом и привлекло множество паломников.
В настоящее время Преображенский храм в селе Вельяминово является действующим и продолжает быть центром духовной жизни для местного населения. В нём регулярно проводятся богослужения, обряды и церковные праздники, что способствует сохранению и укреплению православных традиций в регионе.
