Каменная церковь была построена в 1821 году на месте сгоревшей деревянной, которая стояла с 1702 года. Храм представляет собой конструкцию "корабль", где алтарная апсида выходит на восток, а колокольня - на запад. Аналогичную конструкцию имеют ещё две плёсских церкви - Воскресенская на Торговой площади и Троицкая у автовокзала.
В советское время церкви был нанесен сильнейший урон из-за расположения в ней цеха Ивановского завода расточных станков. С 1980-х храм начали восстанавливать, а в 2007 году провели масштабную реставрацию и передали его Николо-Шартомскому монастырю.
Варваринская церковь изображена на картине Исаака Левитана "Вечер. Золотой Плёс", а также на картинах современных художников, таких как Олег Журавлёв, Николай Андреев и другие.