Согласно историческим данным, в 1737 году в Осташово уже существовал храм, посвящённый Владимирской иконе Божией Матери. Однако к середине XVIII века возникла необходимость возведения нового каменного здания. В 1763 году при усадьбе князя Григория Ивановича Шаховского была построена кирпичная церковь в стиле петровского барокко. Проект храма разработал архитектор Н.Д. Струков.
Архитектурный облик храма сочетает традиции русского зодчества и элементы барокко. Основной объём представляет собой четверик с одной главой, к которому примыкает трапезная. В 1855 году по инициативе княгини А.П. Голицыной была возведена новая колокольня, гармонично вписавшаяся в общий ансамбль.
В 1868 году в храме был устроен накатный потолок, что улучшило акустику и эстетическое восприятие внутреннего пространства. В 1907 году архитектор Н.Д. Струков осуществил значительную реконструкцию: с южной стороны был пристроен придел, переложены свод и северная стена трапезной, а фасады покрыты цементной штукатуркой.
В начале XX века храм играл важную роль в духовной жизни местного населения. Однако в период Гражданской войны и в 1930-х годах церковь подверглась значительным разрушениям, иконы были уничтожены, а здание пришло в запустение. В 1933 году храм официально закрыли.
Возрождение храма началось в 1991 году, когда община бывших старообрядцев-поповцев присоединилась к Русской Православной Церкви, образовав единоверческий приход. Благодаря усилиям местных жителей и прихожан, церковь была восстановлена и вновь открыта для богослужений.
