В 1798 году в слободе Константиновке Богучарского уезда (ныне Кантемировка) был возведён деревянный храм в честь Святой Троицы. С течением времени возникла необходимость в более просторном и долговечном здании, что обусловило решение о строительстве нового храма. В 1863 году была заложена новая кирпичная церковь, также посвящённая Святой Троице. Строительство осуществлялось в два этапа: первоначально были возведены алтарь и центральная часть, а в предреволюционные годы — притвор и колокольня. Завершение строительства датируется 1913 годом.
Архитектурное решение храма является уникальным и не имеет аналогов в России. Храмовая часть с трапезной и алтарём выполнена в русском стиле, близком к постройкам архитектора К. Тона, тогда как в облике колокольни преобладают элементы классицизма. Сооружение увенчано пятью куполами: центральным, символизирующим Спасителя, и четырьмя боковыми, олицетворяющими евангелистов.
В храме устроены три придела: центральный — в честь Святой Живоначальной Троицы, южный — во имя святого великомученика Димитрия Солунского, северный — в честь святителя Тихона Задонского. В настоящее время действует только центральный придел.
В период гонений на церковь и массовых разрушений храм в Кантемировке избежал уничтожения, однако многие ценные иконы были утрачены. Несмотря на сложные времена, богослужения в храме не прекращались. Во время оккупации в годы Великой Отечественной войны в одной части храма совершали богослужения итальянские военные, в другой — русские. В послевоенный период в здании храма размещались различные учреждения, включая школу фабрично-заводского обучения и машинотракторную мастерскую.
С течением времени храм подвергался реконструкции и реставрации. В 2016 году была проведена значительная реконструкция здания. В 2022 году на звонницу храма были добавлены три новых колокола, что способствовало восстановлению полноценного колокольного звона.
