Строительство храма было завершено в 1876 году на средства прихожан. Здание представляло собой деревянную конструкцию с аналогичной колокольней, обе покрытые листовым железом. Ограда вокруг церкви отсутствовала. Освящение храма состоялось 18 октября 1876 года, и единственный престол был посвящен Святой Живоначальной Троице. Первым настоятелем храма стал священник Николай Евграфович Ефремов.
К 1877 году причт храма состоял из священника и псаломщика. Для них были предоставлены общественные деревянные дома. Церковь владела земельным наделом в размере одного казачьего пая, что составляло 15 десятин. При храме действовала церковно-приходская школа, где отдельно обучались мальчики и девочки, что способствовало повышению уровня грамотности среди местного населения.
В начале XX века хутор Дуплятский значительно расширился и был разделен на две части: Верхнюю и Нижнюю Дуплятку. В каждой из них избирался свой атаман. По данным на 1915 год, в нижней части хутора, где располагался храм, проживало 536 мужчин и 530 женщин.
После установления советской власти в 1917 году многие религиозные учреждения подверглись закрытию или перепрофилированию. В этот период Троицкая церковь в хуторе Дуплятский была разобрана, а ее имущество передано государству. Из материалов разобранного храма было построено здание школы, в котором занятия продолжались на протяжении нескольких десятилетий.
С распадом СССР и изменением государственной политики в отношении религии начался процесс возрождения духовной жизни в регионе. В 2011 году был официально зарегистрирован приход храма Святой Троицы хутора Дуплятский в составе Урюпинской епархии Русской Православной Церкви. Это событие ознаменовало начало восстановления храма и возобновления регулярных богослужений.