Впервые село Перемилово упоминается около 600 лет назад, когда на месте нынешнего храма стояла маленькая деревянная церковь в честь Архангела Михаила, много раз перестраиваемая из-за ветхости.
В 1619 году эти земли переходят в руки Дмитровского старосты Ф.П.Чаплина. Его стараниями на месте ветхого храма возводиться новый, но пока деревянный храм, названный в честь Вознесения Господня, с приделом Михаила Архангела.
Своему «каменному устроению» храм обязан сыну генерал-фельдмаршала С.Ф. Апраксина Степану Степановичу Апраксину. В 1792 году на его средства возводиться новый кирпичный двупрестольный храм с тем же посвящением, что и предыдущий. В 1801 году церковь освящают и тогда же, по желанию С.Апраксина, в правой стороне церкви устраивают третий престол во имя святой великомученицы Екатерины - небесной покровительницы его супруги Екатерины Владимировны, урожденной Голицыной.
Существует предположение, что автором проекта была Франческо Кампорези, в это время работавший для Апраксиных. Этот архитектор построил великолепный усадебный дворцово-парковый ансамбль в другом имении Апраксиных - Ольгово.
Архитектура постройки оригинальна сочетанием классицизма с декоративными элементами псевдоготики. В квадратное основание храма вписан крест с центральной ротондой, которая, поднимаясь над стенами, образует световой барабан купола.
Внутри стены и своды покрыты масляной живописью конца XIX века с поновлениями. К тому же времени относится центральный и два придельных иконостаса.
В церкви сохранилось несколько старых икон. Главная храмовая икона - запрестольный образ придела святой великомученицы Екатерины - находиться в алтаре.
В северной части церковной ограды в конце XIX века появилась трехпролетная звонница. Она воспроизводит формы древнерусских построек XVI века. В 1898 году при храме строиться церковно-приходская школа.
События первых лет революции и Гражданской войны отразились и на положении Вознесенской церкви. Декретом 1918 года храм лишился церковных домов и здания школы. БОльшую часть церковной земли национализировали и тем самым основных средств к существованию. Однако местное население не давало сластям закрыть храма, поддерживая своими скромными пожертвованиями его существование.
К началу Великой Отечественной войны, все близлежащие храмы, кроме храма в Перемилово, были закрыты. В период битвы за Москву в районе города Яхрома шли ожесточенные бои. В конце 1941 года немцы захватили город, переправились через канал и заняли часть села Перемилово. Но даже в это время храм продолжал действовать. Было ли совпадением, или были услышаны молитвы прихожан, но именно в день памяти Святой великомученицы Екатерины началось освобождение Яхромы.
С 1944 по 1951 именно храм в Перемилово являлся центром Дмитровского благочиния, впоследствии переданного городу Дмитрову.
Храм продолжает действовать и по сей день.