Первое упоминание о храме на погосте Пухлимо содержится в Кашинской писцовой книге 1628-1629 годов: "Погост Николской на речке Пухленке, а в нем церковь во имя Николы Чудотворца, да предел великой мученицы Параскевы, деревянная клетцкая".

Со временем деревянный храм обветшал, и в 1716 году на его месте построили новую деревянную Никольскую церковь. К концу XVIII века она стала слишком мала для увеличившегося числа прихожан и сильно обветшала.

Князь Петр Николаевич Волконский, местный помещик и прихожанин, служивший в Москве, решил построить новую каменную церковь на свои средства. В 1790 году он подал прошение тверскому архиерею Тихону о строительстве храма, прося разрешения возвести его не на прежнем месте, а в своем имении в сельце Отрубневе.

Строительство затянулось на многие годы по разным причинам. В 1805 году были завершены придельные храмы с престолами в честь мученицы Параскевы и святых Петра и Павла. Предположительно, тогда же была построена колокольня. В ноябре 1805 года архимандрит Новоторжского Борисоглебского монастыря Никифор освятил их, и в приделах начались богослужения. Старую деревянную церковь на погосте Пухлимо разобрали.

В начале 1900-х годов трапезная с приделами была расширена. Работами руководил губернский архитектор В. И. Назарин. В ходе реконструкции проект немного изменили, и трапезная была расширена только между холодным храмом и колокольней. Обновленные приделы с престолами святых Петра и Павла и мученицы Параскевы освятили в 1906 году. Теперь храм мог вместить до 735 прихожан.

В 1962 году храм закрыли. В 1963 году, согласно постановлению Калининского облисполкома, церковные строения передали местному колхозу, и в здании церкви разместили зерносклад.