Село Диево-Городище имеет глубокие исторические корни, восходящие к XIV–XV векам, когда оно являлось вотчиной ярославских князей Деевых. В писцовых книгах 1626 и 1630 годов упоминается существование в селе двух деревянных церквей: Троицы Живоначальной с приделами апостолов Петра и Павла, а также святого мученика Георгия, и святителя Николая Чудотворца с приделом святой Параскевы Пятницы.
В 1787 году, на средства прихожан, на месте обветшавшей деревянной церкви была возведена каменная Троицкая церковь. Для строительства храма на излучине реки была создана искусственная насыпь из валунов, собранных со всей округи. Архитектурно храм выполнен в стиле раннего классицизма с элементами барокко и представляет собой высокий и светлый четверик с полукруглой апсидой с восточной стороны, квадратной в плане трапезной с западной стороны и колокольней. В ярославской традиции было принято украшать четверик мелкими кокошниками. В храме имелись приделы, посвящённые святителю Николаю Чудотворцу и преподобному Сергию Радонежскому.
Во второй половине XIX века Троицкую церковь решили перестроить. В результате у окон её трапезной и ярусов звона колокольни появились килевидные архивольты. Кроме того, колокольню украсили коринфские колонны, количество которых уменьшалось от яруса к ярусу. В верхней части звонницы были установлены часы с четырьмя циферблатами, ориентированными по сторонам света. Храм был обнесён кирпичной оградой с башенками-цилиндрами, возведённой ещё в конце XVIII века.
После революции Троицкую церковь закрыли не сразу; она прекратила свою работу только после окончания Второй мировой войны в 1946 году. С тех пор долгое время она была бесхозной и заброшенной. Лишь относительно недавно её привели в порядок, и в ней возобновились службы.
