Первое упоминание о церкви в селе Соколье, ныне микрорайон Сокол города Липецка, датируется XVII веком. В писцовых книгах 1626–1628 годов упоминается деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы, находившаяся в вотчине князя Алексея Никитича Трубецкого. К церкви приписывались 25 чети церковной земли и сенокосные угодья на 50 копен.
В середине XVIII века, предположительно в 1740 году, на месте обветшавшего деревянного храма была возведена новая деревянная Троицкая церковь. К началу XIX века эта церковь также пришла в ветхость, что побудило прихожан обратиться с прошением о строительстве каменного храма.
Проект каменной церкви был утверждён в 1833 году, однако строительство затянулось из-за недостаточной активности прихожан. Активные строительные работы начались в начале 1840-х годов. К 1844 году была завершена трапезная часть, в которой освятили престол во имя Казанской иконы Божией Матери, перенесённый из старой деревянной церкви. Главный престол во имя Святой Троицы был освящён 9 июня 1848 года епископом Тамбовским Николаем.
Архитектурно храм представлял собой здание в стиле позднего классицизма. Основной объём был квадратным в плане, увенчанным ротондой светового барабана. С востока примыкала полукруглая апсида, с запада — трёхъярусная колокольня. Фасады украшали пилястры и треугольные фронтоны, окна имели профилированные наличники с архивольтами и замковыми камнями. Пять куполов храма были окрашены в голубой цвет и украшены 468 звёздами.
В 1930-х годах, после революционных событий, храм был закрыт, а его имущество конфисковано. Здание использовалось под различные хозяйственные нужды, что привело к его постепенному разрушению. В 1931 году церковь была окончательно снесена, а кирпичи использованы для строительства других городских объектов. На месте храма в 1936 году был построен городской стадион, ныне известный как стадион «Металлург».
В конце XX века, с возрождением религиозной жизни в России, возникла необходимость в восстановлении храма. В 1989 году здание бывшего храма было передано общине евангельских христиан-баптистов, которые провели его ремонт и использовали для своих богослужений.
4 ноября 2010 года здание храма было возвращено Русской Православной Церкви. 14 ноября того же года в храме была совершена первая Божественная литургия после длительного перерыва. С этого времени начались работы по восстановлению православной общины и возобновлению регулярных богослужений.