Деревня Каменово, ранее известная как Каменева, в XVIII веке входила в состав вотчины князей Вяземских. В 1862 году, после отмены крепостного права, крестьяне деревни получили земельные наделы по выкупной сделке с князем Александром Георгиевичем Вяземским. В начале 1860-х годов на Троицком погосте, расположенном между деревнями Каменово и Машки, было начато строительство каменной церкви, завершившееся в 1866 году. Храм был освящён в честь Живоначальной Троицы, с приделами во имя Преображения Господня и святителя Николая Чудотворца.
Архитектурно храм представляет собой каменное здание с элементами русского эклектизма, характерного для второй половины XIX века. Фасады украшены кирпичным узорочьем, что придаёт сооружению выразительный облик. Компактные и соразмерные объёмы церкви гармонируют с декоративными элементами фасадов.
В 1885 году при храме была открыта церковно-приходская школа, размещённая в церковном доме. В начале XX века учителем школы был Тимофей Григорьевич Сущевский, выпускник Владимирской духовной семинарии 1906 года.
11 мая 1889 года в деревне Каменово произошёл крупный пожар, в результате которого сгорело 47 домов с пристройками и имуществом, а также хлебозапасный магазин. После пожара деревня была заново отстроена на более возвышенном месте, что изменило её планировку.
В советский период храм был закрыт и использовался не по назначению, что привело к его частичному разрушению. В настоящее время храм является действующим, однако его состояние остаётся аварийным. Ремонтно-реставрационные работы не проводились, кровля ветхая, отопление отсутствует.
