В 1911 году по ходатайству служащих при станции Бирюлево, а также правления Рязанско-Уральской железной дороги была учреждена школа-церковь Министерства путей сообщения. К зданию железнодорожного училища, которое было открыто в 1903 году и помещалось в одноэтажном деревянном особняке, было решено сделать пристройку. 8 ноября 1911 года указом Священного Синода при строящейся церкви-школе на ст. Бирюлево был открыт самостоятельный приход. К апрелю 1912 года церковь была выстроена и освящена во имя Святого Благоверного князя Александра Невского. Церковь была размещена в деревянной пристройке к зданию училища и отделялась от классной комнаты створчатой дверью, которая в дни больших религиозных праздников открывалась, увеличивая таким образом, пространство храма.

24 марта 1924 года постановлением президиума Московского Совета рабоче‑крестьянских депутатов Александро-Невский храм был закрыт, а в мае того же года окончательно ликвидирован; его помещение было передано Администрации железнодорожной школы, а церковное имущество поступило в ближайшую Покровскую церковь.

21 июня 1924 года Президиум Моссовета разрешил приходскому совету Александро-Невской церкви взамен ликвидированной построить новую церковь на территории кладбища, возникшего близ железнодорожной станции в период 1917-1923 годов.

На территории кладбища была выстроена деревянная одноэтажная церковь, которая 14 декабря 1924 года была освящена во имя cвятителя Николая Чудотворца.

1 марта 1956 года произошел сильный пожар в результате которого храм полностью сгорел. От прежнего храма остался один фундамент (в настоящее время на месте алтаря сгоревшего храма стоит памятный крест). Спустя 10 дней после пожара служба возобновились в церковной сторожке.

В 1957 году прихожане на свои средства и своими руками в кратчайший срок выстроили новый храм. Иконы для церкви были переданы верующими из окрестных подмосковных деревень. Иконостас собрал художник-реставратор Вячеслав Андреевич Рыбаков из частей, которые удалось найти в недействующих храмах.

22 декабря 1957 года, в день праздника иконы Божией Матери "Нечаянная Радость", новый деревянный храм был торжественно освящен, как и прежний, во имя святителя Николая Чудотворца.

В алтаре храма находятся частицы мощей более чем ста великих угодников Божиих. Особо чтимые иконы Никольского храма: Икона Божией Матери, именуемая "Скоропослушница", Икона Божией Матери "Ченстоховская", Икона святителя Николая Мирликийского. В храме находятся Иконы святых с частицами мощей: Священноисповедника Романа, пресвитера (1937), Свт. Николая исповедника, митрополита Алма‑Атинского (1955), Преподобного Нила Столобенского (1554).

Настоятелями Никольского храма в разное время были: иерей Александр (Стремлянов) (с 1911 г.); иерей Василий (Конардов) (с 1924 г.); протоиерей Николай (Перехвальский) – настоятель храма с начала 1940-х гг., протоиерей Василий (Моисеев) (с 1956 г.); протоиерей Николай (Дмитриев) (с 1989 г.); протоиерей Виталий (Тогубицкий) (с 1995 г. по настоящее время).

22 декабря 2007 года в день 50-летнего юбилея храма святителя Николая Чудотворца в Бирюлево состоялось торжественное праздничное богослужение, которое возглавил преосвященнейший Арсений, архиепископ Истринский. После совершения Литургии архиепископ Арсений зачитал специальное Патриаршее Послание приходу храма в связи с 50‑и летним юбилеем его освящения, а также вручил клирикам и прихожанам храма Патриаршие награды: протоиерей Алексий Байков, со дня основания храма несущий пастырское служение в нем, награжден Патриаршей грамотой, настоятель протоиерей Виталий Тогубицкий награжден орденом Серафима Саровского, клирики, сотрудники и прихожане удостоены высоких Патриарших наград: медалей и грамот Русской Православной Церкви.

30 ноября 2008 года в храме Николая Чудотворца прогремел взрыв. По данным одного источника, неизвестные бросили взрывпакет в здание храма. Согласно описаниям очевидцев, это были двое подростков в возрасте от 14 до 16 лет. По другой версии, служительница храма пыталась вынести сумку, которую, согласно свидетельствам очевидцев, оставили двое неизвестных мужчин.

По данным следствия, взрывчатка находилась в стеклянной банке, которую неизвестные положили в сумку, принесли в храм и оставили внутри помещения у выхода. В результате взрыва легкие ранения получили мужчина и женщина.