Согласно имеющимся данным, храм был построен в начале XIX века. Архитектурно здание выполнено в стиле, характерном для того периода, однако детальные описания его архитектурных особенностей в доступных источниках отсутствуют.
В ходе Великой Отечественной войны город Велиж подвергся значительным разрушениям, что не могло не отразиться на состоянии храма. После окончания войны храм был восстановлен и продолжил функционировать.
В настоящее время храм Трёх Святителей продолжает действовать, являясь центром духовной жизни города Велиж. 12 февраля 2025 года приход отметил престольный праздник, посвящённый памяти святителей Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоуста. В этот день был отслужен молебен, который возглавил настоятель храма совместно с приглашённым духовенством.