K 1592-1594 годам относится первое упоминание села Пантелеева в писцовых книгах Троице-Сергиева монастыря, составленных Яковом Петровичем Вельяминовым и подьячим Федором Андреевым. В документах говорится: "Село Пантелеево на суходоле, а в нем церковь Вознесения Господа Бога и Спаса нашего Иисуса Христа, да Покров Святой Богородицы, обе деревянные, одна шатровая, другая клетцкая. В церкви находятся иконы, книги, свечи, все сооружено прихожанами. В церковном дворе живут священник, пономарь и просвирница, а также 12 крестьянских и 3 бобыльских двора. Пашни средней плодородности составляют 65 четвертей, перелогов 40 четвертей, лесом поросло 20 четвертей, церковные пашни занимают 12 четвертей в поле, а вдвое больше в лесу, который не обрабатывается". Вознесенская церковь была шатровой, что было распространено в то время, и, вероятно, служила летним храмом, а Покровская церковь, построенная "в клеть", зимним.

K 1628-1630 годам село Пантелеево, входившее в Суздальский уезд, значилось как "Приселок Пантелеево" и относилось к селу Новому Татарову, центру троицкой вотчины на берегу Клязьмы. В писцовых книгах Суздальского уезда упоминается церковь Вознесения Господня с приделом в честь святых мучеников Флора и Лавра, "строение мирское". В церкви служили два священника, пономарь и просвирня. При храме было 10 бобыльских дворов, церковная пашня составляла 25 четвертей, сенокосов 20 копен. В селе находился монастырский двор, 4 крестьянских и 15 бобыльских дворов. Покровская церковь к тому времени исчезла, вероятно, сгорела во время Великой Смуты, когда села подвергались нападениям польских интервентов и их русских пособников. Вознесенский храм, вероятно, был отстроен заново после воцарения Михаила Федоровича. В 1678 году Пантелеево оставалось приселком Ново-Татаровской вотчины Троице-Сергиева монастыря. В 1800-1810 годах на средства прихожан и усердием церковного старосты Никиты Ларионова построили новый каменный пятиглавый Вознесенский храм с приделом в честь Казанской иконы Божией Матери, колокольней и оградой. Позже добавили придел в честь святителя Николая. В церкви хранились иконы Казанской и Смоленской Божией Матери.

Церкви принадлежала деревянная сторожка на каменном фундаменте, построенная в 1904 году стараниями церковного старосты Василия Ивановича Глебова из деревни Руносиха, и часовня на Фатьяновском поле, возведенная прихожанами сел Кувезино, Пантелеево и Новое Татарово в память избавления от засухи в 1872 году. Приход включал деревни Кочетиха, Сельцо, Фатьяново и ныне несуществующие Вязки, Дубнево, Ениха, Зинино, Левинская, Метлино, Мокрово, Ратляново, Руносиха. Известные уроженцы Пантелеева, братья Федор и Никита Пантелеевские, сыновья местного дьячка Мануила, получили свою фамилию по селу. Федор после окончания Владимирской духовной семинарии в 1831 году был направлен в Киевскую духовную академию. Его младший брат Никита, выбрав светскую карьеру, достиг чина надворного советника и работал смотрителем Киселевской богодельни в Пензе.

В 1778 году при учреждении Владимирской губернии село Пантелеево было переведено из Суздальского в новообразованный Вязниковский уезд. С 1929 по 1964 год оно входило в состав Палеховского района Ивановской области, а с 12 июня 1963 года стало частью Ковровского района Владимирской области, где и находится до сих пор.

В 1930-е годы Вознесенская церковь в Пантелееве была закрыта и постепенно разрушалась. Колокольню и все пять глав храма, а также церковную ограду полностью снесли.