В конце XVIII века село Перемилово принадлежало Степану Апраксину. В 1792 году, на месте обветшавшей деревянной церкви, построенной в начале XVII века, была заложена новая каменная церковь Вознесения Господня с приделами в честь Михаила Архангела и святой Екатерины — покровительницы жены Апраксина, Е. В. Апраксиной (Голицыной). Освящение храма состоялось в 1801 году. Вероятным автором проекта считается архитектор Франческо Кампорези, который в тот период работал над другими проектами для семьи Апраксиных.
Архитектурно церковь представляет собой сочетание классической композиции и неоготического декора. Здание имеет квадратный план без апсиды. Внутри в квадратный объём вписан крест, в центре которого расположена ротонда, увенчанная световым барабаном и куполом. Фасады украшены двухколонными портиками с фронтонами в виде кокошников с килевидным завершением. Окна барабана и внутренние проёмы имеют стрельчатые завершения, что придаёт зданию элементы готического стиля. Эти архитектурные особенности напоминают комплекс царской усадьбы в Царицыно.
В конце XIX века к храму была пристроена звонница, встроенная в ограду церкви. В 1898 году на территории церкви была построена церковно-приходская школа.
В советский период храм оставался действующим, несмотря на антирелигиозную политику государства. В 1944—1951 годах церковь являлась центром Дмитровского благочиния. Сохранение деятельности храма в этот период свидетельствует о его важности для местного населения и устойчивости религиозных традиций.
В настоящее время церковь Вознесения Господня продолжает функционировать как приходской храм. Она относится к Яхромскому благочинию Сергиево-Посадской епархии Русской Православной Церкви. Храм является объектом культурного наследия федерального значения и привлекает внимание как верующих, так и ценителей архитектуры.
