Первые упоминания о церковной жизни в селе Медяны относятся к 1629 году, когда в писцовых книгах Доможирова и Толочанова зафиксировано наличие двух деревянных храмов: теплого во имя Димитрия Солунского и холодного в честь Пророка Илии. В 1654 году писцовая книга Караулова подтверждает существование этих храмов. К первой половине XVIII века оба здания обветшали, и на их месте возвели новую деревянную церковь с главным престолом Димитрия Солунского и приделом Пророка Илии.
В 1750 году Вятская духовная консистория разрешила разобрать ветхую придельную церковь. В 1753 году причт и прихожане обратились с прошением о строительстве каменного храма, которое было одобрено указом от 4 августа 1753 года. К марту 1754 года заготовили материалы, а 11 марта получили разрешение на закладку. Каменный Покровский придел освятили 26 октября 1771 года, а главный холодный храм во имя Святой Троицы - 26 октября 1777 года.
В 1818 году построили колокольню. В 1878 году провели значительную перестройку: расширили трапезную часть, устроили два придела - Покровский и Сретенский. Приход на 1870 год включал 105 населенных пунктов с 6587 прихожанами. При храме действовала церковно-приходская школа для девочек, открытая в 1884 году.
В декабре 1939 года храм закрыли, разрушив купол и верхний ярус колокольни. В послевоенные годы здание использовалось как машинно-тракторные мастерские: алтарь снесли, устроив въездные ворота. В 1991 году образовалась приходская община, богослужения совершались в молельном доме. Реставрационные работы начались в 2015 году с восстановления алтарной апсиды и поврежденных стен.
Храм исторически связан с Великорецким крестным ходом. До 1778 года паломники следовали водным путем до Медянской пристани, а с конца XVIII века село стало местом встречи возвращающейся в Вятку чудотворной иконы Святителя Николая. В 2017 году на фасаде колокольни установили кованый крест XVII века из Успенского собора Трифонова монастыря.