Храм построен в 30-х годах XVIII века на средства семьи Демидовых, владельцев оружейных заводов в Туле и металлургических предприятий на Урале. В церкви находится их родовая усыпальница — единственная в России, расположенная непосредственно внутри храма. Фасад здания окрашен в редкий для культовых строений фисташковый цвет и украшен изящными декоративными барочными элементами. Рядом возведена колокольня в стиле ярославо-суздальского церковного зодчества. В первоначальной планировке она соединялась мостиком с галереей на высоте второго этажа. Но в 1779 году Николо-Зарецкая церковь была практически полностью уничтожена пожаром. Ее восстановили, но уже без галереи — сейчас о ней напоминают большие дверные проемы, ведущие в никуда. В советское время храм был закрыт и постепенно разграблен. Из богатой коллекции церковной утвари практически ничего не сохранилось, также были утрачены росписи на стенах. Верующим храм вернули в конце 1990-х годов, тогда же начались реставрационные работы. Сегодня исторический облик церкви восстановлен, здесь регулярно проходят богослужения.
