Село Костенево впервые упоминается в 1562 году как вотчина костромского Ипатиевского монастыря, во владении которого оно оставалось до 1764 года. В 1638 году в селе была построена деревянная церковь в честь Введения Пресвятой Богородицы во храм. Наличие более раннего храма на этом месте документально не подтверждено.
В 1678 году в селе стояла Введенская церковь с приделом во имя святого пророка Илии. В 1700 году была возведена новая деревянная церковь, посвященная Святой Живоначальной Троице с Ильинским приделом. Храм был построен по клетскому типу на подклете с папертями и одной главой.
В начале XIX века на месте деревянных церквей был построен каменный пятиглавый храм с трехярусной колокольней, освященный в 1805 году. В новый храм перенесли три престола из прежних церквей: главный - в честь Святой Живоначальной Троицы, боковые - в честь Введения Пресвятой Богородицы во храм и во имя святого пророка Илии. Храм был обнесен каменной оградой, внутри которой находилось приходское кладбище.
Богослужения в храме прекратились в 1942 году из-за отсутствия священника. 1 апреля 1946 года Совет по делам Русской Православной Церкви при Совете Министров СССР отклонил просьбу об открытии церкви, но 13 июля того же года решение было пересмотрено, и храм вновь начал действовать. С тех пор богослужения в нем не прерывались.
По данным на 1911 год, причт храма состоял из священника и псаломщика. Церковь владела земельными угодьями: 4 десятины луговой, 20 десятин пахотной и 9 десятин неудобной земли. В приходе числилось 590 душ мужского пола и 640 женского из 18 селений. При храме действовали две земские школы - в самом Костеневе и в деревне Кузнецове.