Первое упоминание о деревянной Троицкой церкви в селе Дединово датируется 1647 годом. В период с 1697 по 1700 годы на средства местного купца Никиты Фёдоровича Шустова была возведена каменная церковь во имя Святой Троицы с приделом в честь Успения Пресвятой Богородицы. Строительство осуществлялось артелью мастеров из Солотчинского монастыря, а украшением храма занимался мастер Маркел Степанов, который богато украсил здание белокаменной резьбой.
Архитектурно церковь представляет собой пятиглавый храм в стиле московского барокко. Бесстолпный четверик завершён пирамидой кокошников, украшенных декоративными элементами. Фасады богато декорированы белокаменной резьбой с орнаментальными и растительными мотивами. В 1808 году к церкви был пристроен южный придел во имя святителя Николая Чудотворца, строительство которого осуществлялось трудами иерея Фёдора Григорьевича Пустынского.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной политики Советского Союза, храм был закрыт, а его здание использовалось под складские помещения. В результате этого многие элементы внутреннего убранства и архитектурные детали были утрачены или повреждены.
