Погост Болчино упоминается в исторических источниках с XV века. В 1488 году здесь уже существовала деревянная церковь во имя святого великомученика Дмитрия Солунского. К началу XIX века здание обветшало, что обусловило необходимость строительства нового храма. В 1828 году на месте прежней церкви была возведена каменная церковь Живоначальной Троицы. Строительство осуществлялось на средства прихожан при содействии помещиков села Вязье П. И. Чихачева и князя В. А. Шихматова, а также церковного старосты — крестьянина деревни Грив Карпа Иванова.
Архитектурно храм выполнен в стиле классицизма и имеет форму креста. На средокрестии расположен широкий барабан с куполом. Три конца креста завершены четырёхколонными портиками. С западной стороны находится притвор, над которым возвышается двухъярусная колокольня. Здание построено из кирпича и оштукатурено. Церковь обнесена каменной оградой с башенками.
В храме три престола: главный — во имя Святой Троицы, и два придельных, тёплых — во имя великомученика Дмитрия Солунского и во имя иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость». На колокольне размещались шесть колоколов. Самый большой из них, весом 65 пудов 32 фунта, был отлит 8 декабря 1843 года на средства крестьянина деревни Грив Фёдора Карпова совместно с прихожанами.
Приход состоял из священника и псаломщика. Церковной земле принадлежало 72 десятины. С 1901 года в приходе действовали две церковно-приходские школы.
На территории, обнесённой каменной оградой, расположено кладбище, где хоронили священнослужителей с семьями и почётных прихожан. До настоящего времени сохранились старинные могилы дворян, духовенства и других. Имеются захоронения и в самом храме. Рядом с церковью находится часовня-колодец, а ещё одна кирпичная часовня расположена неподалёку на сельском кладбище.
