Первое известное упоминание о стоявшем на погосте Пухлимо храме содержит Кашинская писцовая книга 1628–1629 гг.: «Погост Николской на речке на Пухленке, а в нем церковь во имя Николы Чудотворца, да предел великая мученицы Пораскевы древян клетцки».
С годами деревянный храм обветшал и в 1716 г. вместо него возвели новую, тоже деревянную Никольскую церковь. К концу XVIII века храм стал тесным для возросшего числа прихожан и к тому же сильно обветшал.
Князь Петр Николаевич Волконский, местный помещик и прихожанин храма, служивший стряпчим в Москве, решил построить на свои средства новую каменную церковь. В 1790 г. он подал прошение тверскому архиерею Тихону о постройке храма, при этом князь просил разрешить строительство не на старом месте, погосте Пухлимо, а в сельце Отрубневе, являвшемся его имением.
Строительство храма по разным причинам затянулось на много лет. В 1805 г. были готовы придельные храмы с престолами во имя мученицы Параскевы и святых Петра и Павла. Предположительно, в то же время была построена колокольня. В ноябре 1805 г. состоялось их освящение архимандритом Новоторжского Борисоглебского монастыря Никифором. В приделах были начаты богослужения. Старую деревянную церковь на погосте Пухлимо разобрали.
В начале 1900-х г. была распространена (расширена) трапезная с приделами. Наблюдение за работами осуществлял губернский архитектор В. И. Назарин. Уже в процессе реконструкции первоначальный проект был немного изменен – трапезная была расширена только между холодным храмом и колокольней. Обновленные приделы с престолами святых Петра и Павла и мученицы Параскевы были освящены в 1906 г. Теперь храм мог вместить до 735 прихожан.
В 1962 г. храм был закрыт. В 1963 г. в соответствии с постановлением Калининского облисполкома церковные строения были переданы местному колхозу. В здании церкви разместили колхозный зерносклад.
