Строительство храма было завершено в 1834 году на средства помещицы Александры Николаевны Чулковой, тёщи литератора князя Николая Андреевича Цертелева. Храм был возведён в стиле ампир с элементами классицизма. Объёмно-пространственная композиция включает однокупольную храмовую часть, объединённую с двумя колокольнями, увенчанными шпилями. Все три входа — в храм и колокольни — выделены четырёхколонными портиками. Приделы храма посвящены великомученику Димитрию Солунскому и священномученику Харалампию.
В 1870–1880-х годах храм посещал философ Владимир Сергеевич Соловьёв, который неоднократно бывал в Липягах у своего друга поэта Дмитрия Николаевича Цертелева. В этот период Соловьёв впервые после долгого перерыва приобщился Святых Тайн в Троицкой церкви. Около алтаря церкви похоронены владельцы села Липяги, в том числе Дмитрий Николаевич Цертелев (умер в 1911 году) и его старший брат князь Алексей Николаевич Цертелев.
С 1874 по 1930 годы настоятелем храма был священник Константин Иосифович Певницкий. В 1930 году храм был закрыт, а священник Константин Певницкий репрессирован. После закрытия здание использовалось под зерновой склад сначала колхозом «Передовик», затем совхозом «Кошелевский». В течение более 60 лет храм находился в запустении.
12 августа 1992 года было проведено собрание граждан села Липяги, на котором было решено образовать религиозную общину и избрать приходской совет. С 1993 года начались восстановительные работы. В 1998 году была проведена первая служба. В 2010 году на Троицу была отслужена первая литургия в летней части храма.
30 ноября 2016 года в епархии были получены антиминсы в оба придела храма, подписанные правящим архиереем. 25 декабря 2016 года перед въездом в село Липяги был освящён дубовый поклонный крест в честь святителя Спиридона, епископа Тримифунтского. 16 апреля 2017 года в Липяги прибыла икона, написанная в Греции, на которой изображены святые Харалампий и Димитрий Солунский. 4 июня 2017 года в храм была подарена большое паникадило диаметром 3 метра и весом более 300 кг. Летом 2017 года были завершены основные работы в зимней части храма.
12 августа 2017 года был освящён южный придел храма в честь священномученика Харалампия. 1 октября 2018 года был освящён северный придел храма в честь великомученика Димитрия Солунского.