Проект храма рассматривался Временной хозяйственно-строительной комиссией в течение нескольких месяцев, пока, наконец, 19 декабря 1915 года не был утвержден со сметой на 50 тысяч рублей. Сохранилась переписка завода с предприятиями, расположенными в различных городах Российской империи. Для нужд строящейся церкви заказывали самоцветы, малахит, драгоценные камни, договаривались о написании икон и сооружении иконостаса. Возведение храма началось весной 1916 года.
Уже в декабре того же года здание удалось подготовить «вчерне» к богослужению. Храм освятили в честь преподобного Сергия Радонежского. В новый год прихожане храма входили с надеждой, что он будет скоро достроен. Февральская революция беспощадно перечеркнула эти надежды, внеся коррективы в бюджет проекта, который и по масштабам, и по красоте должен был стать подлинным шедевром неорусского стиля, соединив в себе характер русской архитектуры XVII века с чертами стиля модерн.
Решением исполкома при Сергиевском пороховом заводе после многочисленных обращений местных жителей церковь с престолом, освященным во имя преподобного Сергия Радонежского, достроили без роскошной художественной отделки, сократив расходы до минимума.
Храм признали ненужным и закрыли в 1926 году. Через три года здание подверглось варварскому погрому. С храма сорвали кресты, сбросили колокола. Пострадали иконы и церковная утварь. Несмотря на эту трагедию, Сергиевская церковь не была разрушена. Ее переоборудовали в Дом обороны, военный объект. Некоторое время в здании располагались тир и военные секции.
После войны храм пустовал и был заброшен, пока в 1948 году не случилось чудо. В течение одной ночи все лики на стенах обновились, что вызвало массовое паломничество горожан к церкви. Но ее так и не открыли, несмотря на то, что политика государства по отношению к верующим стала более терпимой. Здание капитально отремонтировали и передали Дому пионеров в 1952 году. 20 сентября 1990 года вышло постановление Чапаевского городского Совета народных депутатов о передаче здания верующим. В апреле 1992 года церковь была освящена архиепископом Евсевием (Саввиным).
Постепенно к храму возвращается первозданный, казалось бы, утраченный облик. Сказывается отсутствие проектной документации. Многое приходится восстанавливать «наощупь» и угадывать в рисунках и фотографиях, сделанных чапаевцами в первые годы советской власти, черты былого великолепия. Над главным входом в храм размещено майоликовое панно с изображением Сергия Радонежского, выполненное по мотивам известной картины А.Н. Новосельцева «Святой Сергий благословляет Дмитрия Донского на битву и отпускает с ним двух иноков».
