История храма начинается с 1782 года, когда в Соловцовке была построена деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы. К 1866 году здание обветшало, и преосвященный Митрофаний, посетивший храм, призвал прихожан к возведению нового здания. Инициативу поддержал местный помещик Александр Александрович Соловцов, предоставивший участок земли и средства на строительство. Значительный вклад внес крестьянин Адриан Васильевич Карпов, пожертвовавший более тысячи рублей и впоследствии награжденный серебряной медалью «За усердие» в 1898 году. Сбор средств велся по всей России; среди жертвователей был святой праведный Иоанн Кронштадтский, приславший 100 рублей.
Строительство каменного храма велось с 1891 по 1896 год. Общая сумма расходов на сооружение, живопись, позолоту, приобретение ризницы и церковной утвари составила 12 275 рублей. Храм был освящен 20 октября 1896 года во имя Живоначальной Троицы. Архитектурно здание представляет собой однопрестольный, крестообразный в плане храм с выступающими двухсветными концами поперечного нефа, западная часть которого завершается закомарными полукружьями. Центральная часть выполнена в виде ротонды, покрытой куполом. На куполе был установлен крест со вставленными зеркальными стеклами, изготовленными в Петербурге, что создавало игру света. Иконостас был выполнен по рисунку настоятеля священника Александра Любимого, написавшего также две иконы.
В конце 1920-х годов храм был закрыт. В 1945 году здание было возвращено верующим и 2 сентября 1946 года освящено во имя преподобного Сергия Радонежского епископом Михаилом (Постниковым). С тех пор храм именуется Троице-Сергиевским.
С 1945 по 1951 годы в храме служил священник Иоанн Оленевский (Иван Васильевич Калинин), родившийся в 1854 году в селе Оленевка. В 1920 году он был рукоположен в сан диакона архиепископом Иоанном (Поммером). В годы гонений подвергался арестам и допросам. В 1996 году его мощи были перезахоронены за алтарем храма, а в 2001 году перенесены внутрь церкви. Священный Синод Русской Православной Церкви 27 декабря 2000 года включил его в Собор новомучеников и исповедников Российских XX века.
В 1996 году в храме замироточила икона Божией Матери «Достойно есть». В том же году над источником великомученицы Параскевы Пятницы, расположенным в лесу к юго-западу от Соловцовки, была построена металлическая часовня, а в 2010 году — деревянная. Также в 2010 году была построена деревянная часовня над источником преподобного Сергия Радонежского на сельском пруду.
В период с 2005 по 2010 годы на центральном куполе храма была установлена декоративная главка, а над входом построена звонница. Храм вмещает до 1500 человек и функционирует в качестве архиерейского подворья. Он открыт ежедневно с 7:30 до 19:00, литургии совершаются в 8:00, вечерние богослужения — в 17:00.
Главной святыней храма являются мощи священноисповедника Иоанна Оленевского. Также в храме почитаются икона Божией Матери «Достойно есть» и Казанская икона Божией Матери. Престольные праздники отмечаются 18 июля и 8 октября — дни памяти преподобного Сергия Радонежского.
