В 1880 году в Великую субботу речка Воря сильно разлилась, жители окрестных деревень были лишены возможности попасть через реку в ближайшую церковь и потому устремились в усадьбу, зная, что там будут служить заутреню. Абрамцевский дом переполнился массой молящихся. Тогда Савве Ивановичу пришла мысль в будущем помочь этому положению постройкой отдельной часовни… но до дела так и не дошло, – вспоминала участница Мамонтовского художественного кружка Н. В. Поленова.
В 1881 году была чудесная весна, опять служили заутреню в доме, съехались все друзья, и снова подняли вопрос о постройке. Но тут уже решили, что часовня мала по вместимости, и что надо строить маленькую церковь. Выбрали место в парке и решили поставить храм во имя Спаса Нерукотворного, по образцу старых русских соборов».
Первоначальный проект церкви создал В. Д. Поленов. Прообразом для него послужил храм Спаса на Нередице (XII в.) под Новгородом. В поленовском проекте уже прослеживались основные черты будущей постройки. Глава храма покоилась на массивном барабане, венчая высокую четырехскатную кровлю. Вход-портал в главном, западном фасаде с изображением Спаса Нерукотворного был выполнен в виде звонницы. С восточной, алтарной стороны располагались три Апсиды. В северном фасаде художник предусмотрел два окна: тройное и небольшое полуовальное. По краям стен находились мощные подпорки-контрфорсы. Поленовский проект храма производил суровое и несколько тяжеловесное впечатление.
Особую сложность представляло решение южного фасада, так как он просматривался от усадебного дома сквозь аллею парка и имел не меньшее значение, чем западный. Поленов оставил проект этого фасада незавершенным.
Работу над проектом церкви продолжил В. М. Васнецов. «Я был увлечен Кремлем и московскими церквами, впоследствии – ярославскими и ростовскими», – признавался он позднее в письме к В. В. Стасову. Васнецов изменил пропорции постройки, увеличив высоту стен за счет кровли. Северный фасад, разработанный Поленовым, он перенес на место южного. Тем самым художник добился большего освещения интерьера храма и придал южному фасаду парадный вид. Васнецов внес изменения и в остальные фасады, сделав их более декоративными и живописными. Васнецовский храм приобрел пропорциональный, гармоничный облик и лучше соответствовал своему предназначению – небольшой усадебной церкви, вписанной в пейзаж абрамцевского парка.
В конце мая 1881 г. начались строительные работы. Васнецов вспоминал: «Все мы, художники – Поленов, Репин, я – сам Савва Иванович и семья его принялись за работу дружно, воодушевленно. Наши худо-жественные помощницы – Елизавета Григорьевна… Елена Дмитриевна Поленова, Наталья Васильевна Поленова (тогда еще Якунчикова), Вера Алексеевна Репина – от нас не отставали. Мы чертили фасады, орнаменты, составляли рисунки, писали образа, а дамы наши вышивали хоругви, пелены и даже на лесах около церкви высекали по камню орнаменты, как настоящие каменотесы. Савва Иванович, как скульптор, тоже высекал по камню... Подъем энергии и художественного творчества был необыкновенный: работали все без устали, с соревнованием, бескорыстно…»
К концу июля стены церкви были подведены под крышу. Декоративная отделка фасадов и интерьера потребовала дополнительного изучения средневекового русского искусства, и участники кружка предприняли поездки в Ростов, Ярославль и другие города. В течение лета храм был украшен резным орнаментом. На валике, обрамляющем вход, в орнамент включены изображения, связанные с христианской символикой и евангельскими сюжетами: Агнец олицетворяет Христа; голова осла напоминает о торжественном входе Христа в Иерусалим; петух – об отречении апостола Петра; ангел, лев, орел и телец символизируют евангелистов и т. д.
Под главой церкви выложен фриз из разноцветных изразцов, придавший впечатление легкости мощному барабану. Позднее над входом было помещено изображение Спаса Нерукотворного (1882) работы Поленова, а печная труба в углу крыши покрыта изразцами (1890-е). В оформлении интерьера церкви ведущая роль принадлежала В. Д. Поленову. По его эскизам выполнены иконостас, киоты, подсвечники, запрестольный крест, паникадило, свадебные венцы, хоругви и другая церковная утварь. Двухъярусный иконостас восходит к интерьерам деревянных сельских церквей русского Севера. Иконы традиционного письма, собранные участниками Мамонтовского кружка, соседствуют в нем с авторскими произведениями.
В иконостасе – «Спас Нерукотворный» (1881–1882) И. Е. Репина, «Николай Чудотворец» (1881) Н. В. Неврева, «Сергий Радонежский» (1881) и «Богоматерь» (1882) В. М. Васнецова, «Благовещение» (1882) В. Д. Поленова и другие произведения абрамцевских художников. Впервые в православном храме иконы были выполнены в реалистической манере, предвосхитившей работы Васнецова во Владимирском соборе (1885–1896) в Киеве. На северной стене – рельеф «Голова Иоанна Крестителя» (1880-е) работы М. М. Антокольского, на южной – икона «Святые князь Федор с сыновьями Константином и Давидом» (1890-е) Е. Д. Поленовой. Клиросы расписаны изображениями цветов и бабочек Васнецовым. По его же рисункам выполнен мозаичный пол со стилизованным цветком и датой строительства: 1881–1882 по-старославянски. В 1892 г. в церкви поставил печь М. А. Врубель. Оформление документов на храм заняло все лето 1881 г. Осенью, когда церковь уже была построена, состоялась ее официальная закладка, а летом следующего года – обряд освящения во имя Спаса Нерукотворного.
В отличие от построек эклектичного «русского стиля», абрамцевская церковь – тонкая стилизация под старину, гармонично сочетающая в себе элементы различных школ средневековой русской архитектуры. Она считается первым произведением русского модерна, получившего развитие в беседке «Избушка на курьих ножках» (1883) и оформлении спектакля «Снегурочка» (1880-е), выполненных Васнецовым. В 1891 г., после смерти сына Мамонтовых – Андрея, ризницу церкви, где он был похоронен, перестроили в часовню (1891–1892) по проекту Васнецова. По сравнению с церковью, часовня, украшенная поясами многоцветных изразцов с цветочным орнаментом и прихотливой росписью главки, производит более изысканное и нарядное впечатление. Позднее у стен церкви были погребены дочь Мамонтовых Вера (1907), Елизавета Григорьевна Мамонтова (1908), внук Мамонтовых, сын Веры Сергей (1913) и Савва Иванович Мамонтов (1918). В настоящее время в церкви проходят богослужения по памятным для Абрамцева датам.