История этого места, которое в дальнейшем будет неразрывно связано с жизнью и подвигами тверских новомучеников, известна со второй половины XVIII века. Страшный пожар 1763 года уничтожил почти всю центральную часть города. И по личному повелению императрицы Екатерины II был разработан генеральный план перестройки центра Твери с применением регулярной планировки. Строительство новых зданий и прокладка прямых улиц потребовали переноса старых приходских кладбищ за черту города. С этого момента появляются упоминания о кладбище в ближнем Затверечье.
Эпидемия чумы, поразившая город в 1771 году, потребовала выделения специального места для погребения умерших. Это место было отгорожено канавой и валом. В дальнейшем на новом кладбище была построена часовня, к которой, начиная с 1795 года, в субботу перед праздником Пресвятой Троицы совершался крестный ход.
В 1841 году тверской гражданин Иродион Жуков хлопотал о построении кладбищенского храма вместо часовни. И в том же году здесь строится храм в честь иконы Божией Матери «Неопалимая Купина». Место для храма было выбрано не случайно. С холма посреди кладбища открывался прекрасный вид на Волгу и центральную часть города. Автором проекта предположительно был губернский архитектор Иван Фёдорович Львов. Храм имел крещатый объём, над которым возвышались купол четверика и ярус колокольни. По его названию, кладбище в дальнейшем становится известно, как Неопалимовское.
Этот храм был приписан к Крестовоздвиженской градской церкви. Духовенство Крестовоздвиженской церкви было обязано совершать там богослужения. Помимо этого, там по два раза в неделю служили священники из других храмов Затверечья. В дальнейшем заштатный священник Иоанн Соловьёв ходатайствовал перед Священным Синодом об открытии при кладбищенской церкви самостоятельного причта, и организовал сбор денег среди граждан Твери. Указом Священного Синода от 10 марта 1856 года самостоятельный причт был создан, и Иоанн Соловьёв стал там первым штатным священником.
В 1889 году церковный староста Иван Семёнович Ножевников к юго-восточной стороне пристроил придел в честь преподобного Нила Столобенского. А церковный староста К. Я. Мурашев в северозападной части – придел в честь святого Феодосия архиепископа Черниговского.
Этот храм особенно знаменит тем, что в нём служили причисленные к лику святых Новомучеников и Исповедников Российских Николай Маслов, Илья Громогласов, Илья Бенеманский и архиепископ Фаддей Успенский. Владыка Фаддей особенно любил Неопалимовскую церковь, потому что она, возвышаясь на холме над кладбищем, расположенным в стороне от города, была похожа на скит посреди бушующих волн житейского моря и напоминала владыке родные места на Нижегородчине.
Храм опустел в 1937 году, когда последние его служители были арестованы. Владыка Фаддей принял мученическую кончину 31 декабря 1937 года в здании тюрьмы НКВД, располагавшейся на месте нынешнего следственного изолятора на площади Гагарина. 2 января 1938 года сотрудники НКВД перевезли его тело на санках по льду через Волгу и похоронили на краю Неопалимовского кладбища, то есть непосредственно вблизи от его последнего места служения.
В 1939 году сюда был определён настоятелем протоиерей Василий Петрович Куприянов, который в прошлом отбывал ссылку в Туркестане за противодействие обновленчеству вместе со священномучеником Алексеем Бенеманским. Однако уже через год он также был арестован. Выйдя на свободу во время войны, он к служению в этом храме уже не вернулся. В 1944 году он был назначен настоятелем церкви Иоанна Богослова в селе Троица Удомельского района.
В советское время кладбище было заброшено и пришло в полное запустение. Существует неподтверждённая информация, что ещё в 1970-е годы здесь можно было найти могилу поэта Аполлона Коринфского, умершего в 1937 году. Но сейчас эта могила потеряна. Храм иконы Божией Матери «Неопалимая Купина» был разрушен. Точная дата его утраты неизвестна. Однако до настоящего времени сохранился холм с остатками фундамента здания.
Мощи архиепископа Фаддея были обретены в 1993 году благодаря усилиям архимандрита Дамаскина (Орловского) занимавшегося исследованием жизни и подвига новомучеников с 1970-х годов. Он разыскал и опросил жителей Твери, которые лично знали архиепископа Фаддея. Это расследование поддержал отдел археологии Тверского государственного объединённого музея. Митрополит Тверской и Кашинский Виктор благословил доброе начинание. К раскопкам приступили 24 октября 1993 года. Выяснилось, что работники НКВД похоронили архиепископа без гроба. Но весной 1938 года могилу вскрыли почитатели святого и перезахоронили его в другом месте в наскоро сколоченном гробу. Это затруднило поиски места захоронения.
В 2014 году группа добровольцев очистила от мусора холм, на котором стоял храм, и прилегающую территорию. В том же году на этом месте был установлен поклонный крест.
В 2016 году по благословению митрополита Тверского и Кашинского Виктора началось строительство деревянного храма в честь священномученника Фаддея (Успенского) на месте, где он был похоронен.