Вельяминово впервые упоминается в духовной грамоте великого князя Василия Темного. Основано одним из представителей старинного боярского рода Вельяминовых.

Село было разорено во время татарского нашествия, и особенно в 1571-1572 гг. крымским ханом Девлет-Гиреем. В 1678 г., согласно переписным книгам, пустошь Вельяминово известна уже как «новосельное сельцо Вельяминово», в котором был господский двор и 4 крестьянских двора с 18 жителями мужского пола.

В 1684-1685 гг. в селе была построена деревянная церковь во имя святителя Николая Чудотворца.

В царствование Петра I селом владела Анна Михайловна Заболоцкая, по мужу Волынская, которая построила в сельце деревянную церковь на каменном основании в честь Преображения Господня, Церковь имела придел во имя Архистратига Михаила.

На 1839 г. приход церкви в честь Преображения
Господня состоял из села Вельяминово, деревни Лупиловки, Поздново и Немцово. Деревянная церковь существовала до 1872 г.

Разрешение на строительство в селе новой каменной церкви было получено 19 мая 1865 г. Для изготовления кирпича построили завод, работу каменщика Евдокима Панина оплачивала московская мещанка Мария Ивановна Колоколова, а камень, бут, известь и лес прихожане доставляли бесплатно. Для новой церкви выполнили три новых иконостаса, на которых установили старые иконы из деревянной церкви, а также и новые. Благодетели приобрели позолоченные железные кресты и двухъярусное паникадило.
Церковь была построена в 1870 г. В 1872-1873 гг. освящены приделы во имя Архистратига Михаила, а также в честь Преображения Господня и Рождества Пресвятой Богородицы.

При служении священника Павла Розанова установили в 1884 г. большой колокол в 107 пудов и 3 фунта. В 1896 г. были закончены работы по росписи церкви.

На средства церковного старосты Ивана Васильевича Бычкова в начале XX в. церковь обнесли каменной оградой с коваными решетками.

После закрытия церкви в 1936 г. исчезли старинные иконы, утварь и многие служебные принадлежности. Была взорвана колокольня. В церкви открыли молодежный клуб.

Разоренную церковь передали Русской Православной Церкви 8 февраля 1992 г.

Капитальный ремонт продолжался в течение многих лет. В восстановлении церкви принял участие Николай Константинович Плагидов, регент и художник-иконописец.

В храме находится чтимая икона Божией Матери «Млекопитательница» и почитаемый Казанский образ Божией Матери, отобразившийся на стекле киота.