Первый деревянный храм во имя Святой Троицы в слободе Большая Мартыновка был сооружен в 1799 году на средства генерал-майора Дмитрия Мартыновича Мартынова. Храм имел один престол, освященный в честь Святой Троицы. При церкви находилась кирпичная часовня, построенная в память о кончине императора Александра II.
В 1895 году Мартыновское церковно-приходское попечительство приняло решение о строительстве нового каменного храма на месте обветшавшего деревянного. Проект был разработан архитектором А.И. Мельниковым в русском стиле с элементами эклектики. Место строительства освятили 26 мая 1896 года в день коронации императора Николая II, что делает этот храм единственным в России, заложенным в честь данного события.
Строительство велось с 1900 по 1904 год. Храм имеет три престола: центральный - во имя Святой Троицы, правый - во имя мученицы царицы Александры, левый - во имя святителя Николая Мирликийского. Архитектурный ансамбль включал также часовню, церковно-приходскую школу, дом священника и другие служебные постройки.
В 1930 году храм был закрыт советской властью. Помещение использовалось как зернохранилище, затем как мастерская машинно-тракторной станции. В этот период были уничтожены иконостас, настенные росписи и колокола. Частичное возвращение храма верующим произошло в 1945 году, однако большая часть здания продолжала использоваться для хозяйственных нужд.
Окончательное закрытие храма состоялось в 1963 году. Здание было возвращено Русской Православной Церкви в 1991 году. Реставрационные работы проводились с 1994 года. В 2002 году храм был освящен, а в 2004 году восстановлена колокольня. В храме находятся частицы мощей святых: блаженной Матроны Московской, праведного Павла Таганрогского и великомученика Тимофея.
