Строительство храма тесно связано с развитием железнодорожной станции Астапово, проект которой был утверждён в 1889 году. В период с 1905 по 1909 годы на территории станции было возведено здание реального училища, при котором была устроена домовая церковь во имя Живоначальной Троицы. К 8 января 1910 года строительство комплекса было завершено, а 19 февраля того же года церковь была освящена.
Архитектурно здание представляет собой одноэтажное кирпичное сооружение, включающее учебный корпус реального училища и примыкающую с юга домовую церковь. Учебный корпус имеет прямоугольную форму, вытянутую по оси запад–восток. Главный северный фасад состоит из тринадцати световых осей, украшенных стилизованными пилястрами и филенчатыми нишами с оконными проёмами прямоугольной формы с эллипсоидным завершением. Фланги и центральная часть фасада выделены ризалитами, завершёнными аттиками различной формы. В архитектурном декоре фасадов использованы мотивы ширинок, фигурных полуколонок и зубчатых поясов. Компактный прямоугольный объём церкви с полуциркульной апсидой перекрыт коробчатым сводом, увенчанным глухой луковичной главкой. С запада примыкает паперть-крыльцо с треугольным щипцом. Оконные проёмы апсиды декорированы профилированными фигурными наличниками с трёхлопастным очельем. Здание выполнено в стилевых формах эклектики с использованием мотивов псевдорусского стиля и элементов модерна.
В 1924 году храм был закрыт и переоборудован под общеобразовательную школу, которая функционировала в здании на протяжении нескольких десятилетий. В 2000 году здание было передано епархии, после чего начались работы по восстановлению храма. Восстановительные мероприятия включали ремонт крыльца, обновление цоколя и отмостки, установку новых отливов подоконников и частичное восстановление кладки стен.
