Возможно, в XIV столетии на территории Започаяния был основан монастырь в честь преподобного Сергия Радонежского. Об этом свидетельствует архитектура этого храма – он был многошатровым рубленым. Этот тип церквей почти полностью исчез в XVII веке.

Кроме того, в сотной грамоте 1621 года церковь преподобного Сергия названа монастырем; в ней тогда находился придел в честь Соловецких чудотворцев Зосимы и Савватия. Кем и когда основан был этот монастырь – неизвестно. Он выгорел в результате пожара 1701 года.

Живший недалеко от обители Афанасий Фирсович Олисов решил отстроить храм, сменив престол. Церковь была освящена на следующий год в честь Спаса Нерукотворного и Сергия Чудотворца.

Главной святыней нового храма стала икона XVI века Спаса Нерукотворного, поставленная за правым клиросом алтаря и почитавшаяся нижегородцами чудотворной. Храм стал приходским, но не надолго: 25 июня 1715 года он снова сгорел. Церковь восстановили и вновь освятили в честь преподобного Сергия Радонежского, но она требовала капитального ремонта.

В 1838 году архитектор Г.И. Кизеветтер отремонтировал храм, но старое здание церкви спасти было сложно. Александр II лично утвердил план Сергиевского храма, присланный из Нижнего Новгорода, и в 1865 году началось строительство церкви. Работы под надзором архитектора Р.Я. Килевейна продолжались четыре года. На исходе лета 1869 года церковь отделали и освятили. Это был крупный пятиглавый храм, к которому с запада примыкала четырехъярусная тридцатиметровая колокольня.

Архитектурные формы его, выполненные нарочито рельефно, имели много общего с традиционными формами древних русских церквей. В 1872 году по просьбе причта Р.Я. Килевейн спроектировал и пристроил по сторонам основания колокольни овальные в плане пониженные помещения, нарушившие целостность художественного образа храма, но которые дали причту дополнительные площади служб.

Нижегородский историк XIX века Храмцовский отмечал: «Снаружи Сергиевская церковь византийской архитектуры с двумя главами: одна над главным храмом, другая над Никольским приделом; на обеих главах золоченые прорезные кресты».

В годы советской власти в храме располагался Союз нижегородских художников.

Храм был передан Нижегородской епархии в 2003 году. В октябре 2006 года была полностью оборудована колокольня, на ней были установлены 12 колоколов. Самый большой из них весом в 4 тонны был подарен главой Росатома Сергеем Кириенко и генеральным директором концерна «Росэнергоатом» Сергеем Обозовым.

4 ноября 2006 года архиепископ Нижегородский и Арзамасский Георгий торжественно освятил храм.