Первое упоминание о храме относится к 1713 году, когда в селе Мытищи был освящён придел во имя святителя Николая. В 1735 году документы фиксируют существование церкви во имя Пресвятой Богородицы Владимирской с приделом Николы Чудотворца. Архитектурно храм представлял собой кирпичное сооружение типа «восьмерик на четверике» с трёхчастной апсидой и трапезной, выполненное в стиле московского барокко.
В период 1817—1819 годов здание церкви подверглось капитальному ремонту. В 1832 году был освящён придел святителя Николая, а в 1898 году — придел преподобного Сергия Радонежского, что расширило функциональные возможности храма и укрепило его роль в духовной жизни прихожан.
В 1929 году власти предприняли попытку закрыть храм, однако местные жители активно протестовали против этого решения. Около 600 человек выразили несогласие с закрытием, что привело к ссылке двух священников на Соловецкие острова.
В 1942 году храм был окончательно закрыт, и его здание использовалось для хозяйственных нужд: вначале как мастерские по ремонту пожарных машин, а затем как база снабжения Управления внутренних дел Московской области. В этот период здание подверглось значительным изменениям, утратило первоначальный облик, сохранились лишь отдельные архитектурные детали, такие как выступ апсиды и верхняя часть «восьмерика на четверике».
В 1991 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, после чего начались работы по его восстановлению. Благодаря усилиям прихожан и местных властей, храм был отреставрирован и вновь открыт для богослужений, продолжая служить духовным центром для жителей Мытищ и окрестностей.
Архитектурный облик храма сочетает в себе элементы нескольких стилей, что было характерно для времени его строительства. Фасады украшены круглыми барельефными медальонами, на которых изображена чета Измайловых.