Это древнее село, вероятно, принадлежало представителям знаменитого рода бояр Вельяминовых, известного со времен Ивана Калиты. Первые документальные свидетельства, в которых упомянуто Вельяминово, относятся к 1461 г.; тогда великий князь Василий Тёмный оставил его по завещанию сыну Борису. Пятнадцать лет спустя Вельяминовым владел внук князя Василия Феодор.
В Коломенских писцовых книгах за 1577—1578 гг. в поместье нового владельца села, боярина Булгака Михайловича Зяблого, уже значится «церковная земля», а в 1622 г. упоминается «церковь Преображения Спасова». Возродили храм от печальных последствий Смутного времени стольник Иван Михайлович Заболоцкий и его сестра Анна Михайловна, по мужу Волынская. Тогда была построена деревянная церковь на каменном фундаменте во имя Преображения Господня с приделом во имя Архистратига Михаила и колокольней.
С 1700 г. Вельяминово значилось во владении стольника Григория Михайловича Наумова, вотчинника соседнего села Кузьминского. На пустующих землях в ту пору образовалась деревня Лупиловка, позже она присоединилась к Вельяминову. В 1762 г. в обоих населенных пунктах числилось 288 душ.
В 1833 г. настоятелем храма (после священника Федора Яковлева) стал Алексей Иванович Отрадинский. При нем тесовую крышу деревянного храма заменили на железную, а на выделенном из усадебной земли участке в 1 десятину 700 [квадратных] саженей поставили сторожку. К этому времени за церковью числилось «26 десятин пашни и покосу».
Жители села Вельяминово умели трудиться и не бедствовали. Так, после пожара 1861 г. они в короткие сроки не только отстроили полсотни сгоревших домов, но и по благословению святителя Филарета, митрополита Московского, возвели в своем селе новый каменный храм. Резолюция митрополита Филарета была такова: «Божией милостью смиренный Филарет митрополит Московский. По благодати дару и власти Всесвятого и Животворящего Духа, данной нам от Самого Великого Архирея Господа нашего Иисуса Христа, через святые Его Апостолы и их наместника и приемника, благословили мы священно-церковнослужителей, церковного старосту и прихожан построить в с. Вельяминове вместо ветхой деревянной, новую каменную церковь во имя Преображения Господня с теплым приделом во имя Св. Архангела Михаила. 28 ноября 1863 г.».
Получив разрешение, крестьяне построили небольшой кирпичный заводик. Из сохранившейся до нашего времени летописи Вельяминовской церкви известно, что закладка храма состоялась 19 мая 1865 г. Немалые расходы по строительству приняла на себя московская мещанка, местная уроженка Мария Ивановна Колоколова, она оплачивала работу каменщиков. На ее средства были установлены на купола железные с позолотой кресты. В. И. Малинин пожертвовал две металлические золоченые хоругви. Кирпич, бут, известь, песок и лес прихожане на своих лошадях доставляли к стройке бесплатно. Основные средства для полного обустройства храма поступали с ярмарки, открытой на церковной земле. «Свои» крестьяне торговали фуражом, глотаевские мужики привозили мясо, приваловские продавали сапоги, а борисоглебские — ржаную муку. Осенью здесь продавали овец, а по весне — поросят. Церковная лавка и торговые балаганы предлагали скобяной товар, горшки, деревянную посуду, холсты. Строительство Преображенского храма велось при священнике Сергее Васильевиче Лебедеве, который являлся настоятелем храма в 1862—1879 гг.
На Пасху 1884 г. на колокольню подняли 107-пудовый колокол, отлитый в Ярославле на заводе Оловянникова. Надпись на нем напоминала о прилежном усердии священника Павла Петровича Розанова с прихожанами, церковных старост М. И. Белова и Н. Н. Царева. Местный помещик Сергей Сергеевич Ельчанинов по-жертвовал в церковь два серебряных креста, одноглавую серебряную с позолотой дарохранительницу и шитую золотом Плащаницу на малиновом бархате, а Ф. М. Розанова, вдова священника, — Евангелие в серебряном окладе.
В 1887 г. в храм назначили священника Стефана Алексеевича Виноградова. Вместе со старостой Г. И. Ушаковым он продолжил благоустройство церкви. К 1896 г. расписали стены храма, а снаружи его оштукатурили. На средства Ивана Васильевича Бычкова построили каменную с коваными решетками ограду. Хорошего письма иконы с резными киотами приобрели московские купцы С. И. Натрускин и Н. Н. Ленивов, а также художник Н. М. Карев. Сохранились имена и других благотворителей храма, это московские купцы Грибовы, серпуховской фабрикант И. Н. Коншин, Ф. И. Бычков, крестьяне села Вельяминово — Алексей и Сергей Царевы, Д. И. Осипов, а также Т. С. Жирнов из села Глотаево.
До 1936 г. службы в церкви совершались регулярно. После закрытия храма собранные веками иконы и утварь растащили. Имя последнего настоятеля неизвестно…
С организацией в древнем селе колхоза основательно взялись и за храм: колокольню взорвали, а в трапезной разместили ремонтные мастерские для тракторов. Тяжелая техника заезжала на обслуживание через огромный пролом в северной части храма. Кладбище вокруг церкви осквернила масляно-мазутная жидкость, стекавшая из мастерских в речушку Рябиновку. Вековые надгробия были разбросаны в беспорядке.
В начале 1980-х гг. пролом заложили, стены побелили, настелили плиточный пол, в трапезной части церкви выстроили антресоль для застолья. Храм стал местом проведения «культурных мероприятий» рабочих совхоза «Повадинский». Здесь праздновали свадьбы и дни рождения, отмечали все советские праздники, провожали юношей в армию и устраивали выпускные школьные вечера. Танцевали под звуки аппаратуры, расположенной в святом алтаре. Вместо купола на храме был шатер смотровой площадки. В таком измененном виде церковь в 1991 г. возвратили православным христианам.
С этого времени в храме начались регулярные богослужения. Антресоли разобрали, стены украсили иконами. Замечательна история иконы святителя Феодосия Черниговского, на обороте которой имеется надпись: «Сия икона освящена в Москве, в Кремле в Чудовом монастыре у раки святителя Митрополита Московского Алексия». Икона написана в честь коронации государя императора Николая Александровича и государыни императрицы Александры Федоровны. В 1942 г. она попала в дом жительницы села Успенское Домодедовского района и пребывала у нее до 1998 г. Тогда женщине приснился сон, в котором она увидела стоящую на полу икону и услышала голос: «Доколе я буду пребывать у тебя, верни меня на место в храм». В тот же день женщина привезла иконув церковь, где для нее был изготовлен резной киот. Так чудесным образом икона вернулась в храм села Вельяминово.
Сегодня церкви возвращен ее первоначальный облик, на нее водрузили купол и крест, храм благоустроили. Для причта построили каменный дом. В 2003 г. началось восстановление утраченной колокольни. Трудность восстановления заключалась не только в отсутствии материальных средств, но и в том, что не сохранился фундамент старой колокольни. С учетом старых фотографий и чертежей были проведены проектные работы. В настоящее время колокольня высотой 36 метров полностью построена. На ней размещены несколько колоколов, самый большой из которых весит 2 тонны.
Икона Божией Матери «Млекопитательница», согласно надписи на ее обратной стороне, «написана и освящена на св. Афонской горе, в скиту Св. Пророка Ильи иждивением генерала Сергея Симеоновича Унковского и посылается в благословение в храм Преображения Господня в село Вельяминово, Московской губернии Серпуховского уезда, 1895 г.». В годы советской власти икона хранилась в доме у рабы Божией Валентины. В 1989 г. этот святой образ был передан в первый вновь открывшийся на Домодедовской земле храм Знамения Пресвятой Богородицы в селе Кузьминском. В первый престольный праздник возобновленного Преображенского храма села Вельяминово благочинным Домодедовского округа протоиереем Александром Васильевым икона была передана приходу села Вельяминово.
Новая святыня храма обнаружилась в Страстную пятницу 2000 г. При уборке храма было замечено помутнение стекла у киота Казанской иконы Божией Матери. Все попытки отмыть стекло ни к чему не привели. Спустя некоторое время икону из киота вынули и обнаружили, что на стекле отобразилась со всеми подробностями Казанская икона Божией Матери. Специальная комиссия ученых-физиков из Москвы, изучающих подобные явления, обследовала стекло и сделала вывод, что вельяминовский феномен уникален. В истории церкви описаны десятки подобных случаев (несколько подобных отображений икон на стекле существуют и поныне в различных странах), но такой четкости и размера — 56 квадратных дециметров! — нет нигде. Запечатленное чудо на стекле могут видеть своими глазами все приходящие в храм. Увиденное не оставляет никакого сомнения, что Россия является Домом Пресвятой Богородицы.
