История храма начинается с 1786 года, когда архиереем Лаврентием было разрешено строительство каменной церкви в Верхошижемье. Строительство велось в период с 1787 по 1793 год по проекту вятского губернского архитектора Ф.М. Рослякова. Церковь относится к числу редких сооружений в стиле ротонды. В ней было устроено два престола: придельный пророка Ильи, освящённый 1 октября 1793 года, и главный престол во имя Святой Троицы, освящённый 30 июня 1810 года. Позднее были освящены правый тёплый Ильинский придел (1 октября 1829 года) и левый тёплый придел во имя Афанасия и Кирилла Александрийских Чудотворцев (18 января 1831 года). Колокольня была построена в 1823 году. Церковь обнесена металлической оградой на каменном фундаменте.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное здание в формах классицизма. Основной двусветный ротондальный объём перекрыт куполом с люкарнами. С востока к нему примыкает полукруглый алтарь, с запада — протяжённая трапезная с многоярусной колокольней. Фасады украшены пилястрами и карнизами, характерными для архитектуры того периода.
В 1930 году храм был закрыт, и здание подверглось реконструкции. До закрытия церковь подверглась ограблению. Церковный староста П.С. Морозов ночью выкрал золотые подсвечники, дорогие иконы и другие ценности и спрятал с корыстной целью.
