Строительство каменного храма было завершено в 1892 году. Первоначально был освящён придел в честь Казанской иконы Божией Матери. Главный престол, посвящённый Святой Живоначальной Троице, был освящён 7 октября 1907 года. Храм также включает приделы, посвящённые святителю Николаю Чудотворцу и преподобному Серафиму Саровскому.
Архитектурный облик храма выполнен в русском стиле с элементами эклектики. Здание представляет собой пятиглавую конструкцию с восьмигранными барабанами, украшенными разнообразными кокошниками. Фасады и оконные наличники также декорированы кокошниками. Четырёхъярусная колокольня гармонично сочетается с основным объёмом храма. В плане церковь имеет прямоугольную форму с тремя полукруглыми алтарными выступами на востоке и прямоугольным выступом нижнего яруса колокольни с притворами на западе.
В начале XX века приход храма включал 1 976 мужчин и 2 134 женщины. Причт состоял из священника, диакона и псаломщика. Приходу принадлежали 3 десятины усадебной земли, 36 десятин пахотной и до 12 десятин сенокосной земли. Жалование составляло 168 десятин, братский доход — 1 000 рублей. В пользу причта был вклад в размере 1 090 рублей. При храме действовало земское училище.
В 1930-х годах храм был закрыт в рамках антирелигиозной кампании. Однако в конце 1945 года, после окончания Великой Отечественной войны, храм был вновь открыт и возобновил богослужебную деятельность. Храм Троицы Живоначальной стал одним из двух храмов, сохранившихся в Земетчинском районе в советский период.
