Деревянная церковь в бывшей Леонтьевской слободе, на северо-западном конце устюжского посада упоминается еще в источниках 16 века. В “Писцовых книгах” за 1683 год дается наиболее полное описание тогдашнего деревянного храма и всего его убранства и утвари. В 1706 году холодная Леонтьевская церковь сгорела, и спустя 32 года в 1738 году епископ Великоустюжский и Тотемский Лука дает грамоту, разрешающую строительство каменного Леонтьевского храма на месте сгоревшего деревянного. Между 1738 и 1741 годами каменный теплый храм во имя святителя Леонтия епископа Ростовского был построен. В 1742 году по указу архиепископа Великоустюжского и Тотемского Гавриила ключарь Успенского собора священник Василий освятил вновь построенный Леонтьевский храм.

В 1930 году из-за больших налогов служба в храме прекратилась и Леонтьевская церковь была закрыта. После закрытия храма началось разграбление и уничтожение иконостасов, икон, церковной утвари. Позднее местные власти разместили в храме мастерские. В 2010-х началось восстановление, сейчас церковь действующая.