От монастырского села к каменному храму
В начале XVII в. село Клементьево входило в вотчину князей Хворостининых. В 1614 г. князь Иван Дмитриевич Хворостинин передал село на р. Молокше Троице-Сергиеву монастырю. В писцовых книгах Угличского уезда 1629–1631 гг. здесь уже упоминается деревянная клетская церковь святителя Николая Чудотворца. После секуляризационной реформы 1764 г. Клементьево стало государственным селом.
В конце XVIII в. прихожане решили заменить деревянный храм каменным. 16 сентября 1793 г. был заключён договор с подрядчиком Михаилом Андреевым: новую церковь предполагалось строить по образцу Петропавловской церкви в Угличе, а колокольню — по примеру Троицкой Дивногорской пустыни. Работы рассчитали на три года; каменный храм с приделом, трапезной и колокольней возвели в 1790-х гг.
Росписи и перестройка храма
В 1841 г. церковный староста Сергей Иванов и выбранный прихожанами распорядитель работ Авдей Николаев заключили контракт с ростовским живописцем Александром Сапожниковым. Его артель расписала летнюю часть храма и алтарь; программа включала 28 композиций на евангельские сюжеты и изображения местночтимых святых.
В 1852 г. началась крупная перестройка: мастер Иван Журавлёв разобрал прежние трапезную и колокольню и возвёл их заново по утверждённому проекту. Так сформировался сохранившийся облик церкви: первоначальная часть конца XVIII в. получила барочный декор, а трапезная и трёхъярусная колокольня — формы эклектики середины XIX в. В конце XIX — начале XX в. рядом с храмом построили каменную сторожку.
Закрытие и восстановление храма
Богослужения в Никольской церкви продолжались до 1932 г. После закрытия здание использовалось как зернохранилище колхоза «Заветы Ильича».
В постсоветский период храм был передан Русской Православной Церкви. В нём провели противоаварийные работы: заменили кровлю, за исключением колокольни, восстановили главы над четвериком, установили окна и двери.
Ансамбль церкви Николая Чудотворца, включающий пятиглавый храм с колокольней и сторожку, внесён в единый государственный реестр как объект культурного наследия регионального значения.