Первое упоминание о селе Холмы относится к XVI веку. В Смутное время село было разорено, и в 1643 году князь Иван Фёдорович Шаховской возвёл деревянную церковь в честь иконы Божией Матери «Знамение» с приделами святителя Алексия, митрополита Московского, и святого великомученика Димитрия Солунского.
В 1697 году, по инициативе Дмитрия Никитича Головина и жителей села, была построена каменная церковь того же посвящения. Храм выполнен в стиле раннего нарышкинского барокко и отличается уникальной архитектурой, не имеющей сходства с другими сохранившимися постройками того времени.
В 1825 году помещица Авдотья Семёновна Бове, супруга известного архитектора Осипа Бове, инициировала строительство колокольни с приделом преподобного Сергия Радонежского и придела в честь Николая Чудотворца. Предполагается, что работы проводились по проекту Осипа Бове.
С 1928 по 1938 год при церкви проживала преподобномученица Дария, расстрелянная на Бутовском полигоне и причисленная к лику святых.
В 1938 году храм был закрыт, а священник репрессирован. Здание использовалось под склад, что привело к его обветшанию.
В 2002 году храм был возвращён Русской Православной Церкви. Был назначен священник, и возобновлены богослужения. В обветшавшем здании началась реставрация, которая продолжается и по сей день.
Архитектурно храм представляет собой центрическое сооружение ярусного типа, построенное в форме равностороннего креста, вписанного в круг. Алтарь имеет одно полукружие без граней. Здание завершено приземистым барабаном, опирающимся на четыре столба, и венчается одной большой главкой. Фасады украшены пилястрами с фронтонами и фигурными наличниками, что придаёт им плоскостной характер. С запада к церкви примыкает двухъярусная колокольня, верхняя часть которой, возможно, была перестроена.
В начале XX века церковь была покрыта железом, окрашенным в зелёный цвет. Отапливалась двумя голландскими печами. Храм отличался богатым убранством: четырёхъярусный вызолоченный иконостас с резными Царскими вратами, шатровая резная сень над престолом, венчанная крестом.
