Село Бахмачеево известно с XVII века. В окладной книге 1676 года упоминается существование в селе деревянной церкви Троицы Живоначальной. В 1815 году, на средства прихожан, началось строительство нового каменного храма, которое было завершено и освящено в 1820 году. Архитектурно, храм выполнен в стиле классицизма и представляет собой четверик с крупной световой ротондой, увенчанной куполом с люкарнами. К востоку от основного здания располагается полукруглая алтарная апсида, а с северной и южной сторон — четырехколонные портики. Обширная четырехстолпная трапезная соединяет храм с колокольней, которая состоит из четырех кубических ярусов и увенчана куполом с главкой.
В 1894 году, по проекту архитектора С.И. Бородина, была проведена реконструкция трапезной, что позволило улучшить внутреннее пространство храма. В конце XIX века была построена красивая церковная ограда с тремя воротами и шатровыми башенками на углах, что подчеркнуло архитектурную выразительность комплекса.
В советский период, в 1933 году, настоятелем храма был священник Владимир Медведюк, который в дальнейшем был канонизирован как священномученик. Однако в 1956 году церковь была закрыта, её здание использовалось как склад для нужд местного колхоза, а часть церковных ценностей была утрачена.
В 1990 году здание храма было возвращено Русской Православной Церкви. В том же году рядом с источником, почитаемым местными жителями, была построена кирпичная часовня на месте ранее существовавшей деревянной. В 2006 году, спустя 210 лет после освящения, храм был восстановлен в своём первоначальном виде.
В период с 2018 по 2019 годы преподаватели и студенты Санкт-Петербургской государственной художественно-промышленной академии имени А.Л. Штиглица провели реставрационные работы росписей храма. Работы включали укрепление штукатурного основания фресок и восстановление утрат, что способствовало сохранению уникального художественного наследия храма.
