Согласно сохранившимся метрическим книгам, приходская жизнь в Мроткино велась уже с 1724 года. В 1753 году помещик Козьма Тимофеевич Мартьянов построил деревянную церковь во имя святителя Николая Чудотворца. Это здание стало основой для последующих реконструкций. В 1824–1831 годах церковь была существенно перестроена владельцем соседней усадьбы «Дубцы» Александром Сергеевичем Обольяниновым. При реконструкции использовался сруб храма 1753 года. В результате здание приобрело черты классицизма, характерные для архитектуры того периода.
Архитектурно церковь представляет собой сооружение типа «восьмерик на четверике» с боковыми портиками, трапезной и трёхъярусной колокольней под куполом со шпилем. Объёмно-пространственная композиция включает крытую паперть, двухъярусную колокольню, трапезную и основное здание церкви с выступающей с востока пятигранной апсидой. Здание имеет три входа: западный — через колокольню, и два боковых, которые в настоящее время не функционируют.
Главный престол храма освящён в честь Святой Троицы, приделы — во имя святителя Николая Чудотворца и Покрова Пресвятой Богородицы. Церковь построена из дерева и обшита тесом. Несмотря на пожары и перестройки, она сохранилась до наших дней в изменённом виде, далёком от первоначального проекта.
Примечательно, что за всё время своего существования церковь никогда не закрывалась. Даже в советский период, когда многие храмы были закрыты или разрушены, церковь в Мроткино продолжала действовать. В 1992 году здание было повреждено пожаром, после чего проведены реставрационные работы. В настоящее время церковь является действующей и находится под охраной как памятник архитектуры регионального значения.
