Храм Троицы Живоначальной в хуторе Вертячий был построен в конце XIX века. Точная дата основания неизвестна, но первые упоминания о церковной жизни в хуторе относятся к 1890-м годам. Храм возведен в традициях русской храмовой архитектуры с элементами эклектики, характерной для периода строительства.
В годы советской власти храм, как и большинство церквей в СССР, был закрыт. Богослужения прекратились в конце 1920-х годов. Здание использовалось под хозяйственные нужды, что привело к частичной утрате первоначального декора и внутреннего убранства.
В период Сталинградской битвы хутор Вертячий оказался в зоне активных боевых действий. Храм получил повреждения, но не был полностью разрушен. После войны здание продолжало использоваться не по назначению, что усугубило его состояние.
Возрождение храма началось в 1990-е годы, когда здание было возвращено Русской Православной Церкви. Реставрационные работы проводились поэтапно. В 2000-х годах были восстановлены купола и кресты, отремонтирована кровля.
Архитектурно храм представляет собой однокупольное сооружение с колокольней над западным входом. Стены сложены из красного кирпича, цокольная часть выполнена из местного камня. Сохранились фрагменты первоначальной росписи в алтарной части.
Приходская жизнь возобновилась после назначения первого настоятеля в постсоветский период. Были восстановлены регулярные богослужения по полному кругу. В храме сохраняется традиционный устав служб, характерный для приходов Русской Православной Церкви.
В 2010-х годах проведена реконструкция прилегающей территории. Установлена ограда, благоустроена площадь перед храмом. Сохранились исторические захоронения XIX века на церковном участке, которые являются объектом изучения местных краеведов.