Первый деревянный храм во имя Живоначальной Троицы был заложен 12 июня 1754 года по благословению митрополита Тобольского и Сибирского Сильвестра. Строительство велось на средства прихожан и завершилось освящением церкви 20 августа 1755 года. В течение семидесяти лет этот храм служил духовным центром для местных жителей, однако к 1825 году здание обветшало и было разобрано; на месте престола установлен мраморный памятник.
В связи с необходимостью нового храма было принято решение о строительстве каменной церкви. Закладка нового здания состоялась 2 июля 1811 года с благословения преосвященного Иустина. Строительство продолжалось пять лет, и 14 июля 1816 года храм был освящен тем же владыкой. Архитектурный облик новой церкви отличался величественностью: сводчатые купола опирались на шестигранные барабаны с узкими декоративными окнами, колоннада с узорчатыми антаблементами и пилястрами придавала зданию торжественный вид. Шлемообразные маковки венчали кресты, а трехъярусная колокольня завершала композицию храма.
В советский период храм подвергся закрытию, как и многие религиозные сооружения того времени. Здание использовалось для различных хозяйственных нужд, что привело к утрате многих элементов внутреннего убранства и архитектурных деталей. Однако, несмотря на испытания, храм сохранился и стал объектом культурного наследия.
В постсоветский период начался процесс возвращения храма Русской Православной Церкви и его восстановления. Были проведены работы по реставрации здания, воссозданию утраченных элементов и восстановлению богослужебной деятельности. Сегодня храм Живоначальной Троицы вновь открыт для прихожан и является центром духовной жизни города Полевского.
