Первое упоминание о церкви в селе Михайловка датируется 1719 годом, когда была построена деревянная церковь во имя Архистратига Михаила. В 1783 году на её месте возвели новую деревянную церковь.
В 1861 году началось строительство каменного пятиглавого храма в честь Живоначальной Троицы. К 1867 году основные строительные работы были завершены, и храм был покрыт железом. Освящение главного престола состоялось 31 октября 1871 года. В 1879 году был освящён правый придел во имя святителя Николая Чудотворца, а в 1883 году — левый придел во имя Архистратига Михаила.
В 1887 году епархиальный архитектор Алексей Егорович Эренберг разработал проект расширения храма, предусматривающий пристройку тёплой трапезной, способной вместить около 1040 человек. Строительство трапезной было завершено в 1891 году. В 1893 году было принято решение об устройстве одного алтаря в центре трапезной вместо двух боковых приделов. В 1894 году престол во имя Архистратига Михаила был перенесён в левый придел трапезной и освящён 30 ноября того же года.
В начале XX века храм подвергся ремонту. 31 октября 1904 года был освящён главный Троицкий престол, а к 1906 году был отремонтирован и готов к освящению престол в правом приделе. На ремонт храма прихожане пожертвовали значительные суммы, в том числе на новый иконостас. От праведного Иоанна Кронштадтского в Михайловскую двухклассную церковно-приходскую школу поступило 166 рублей на уплату долга за колокол.
В 1933 году храм был закрыт и преобразован в склад. Для заезда машин в северной стене трапезной был пробит большой проём.
В 2005 году началась реставрация церкви: были восстановлены пять куполов над четвериком и купол колокольни. В летнее время в храме совершались литургии, однако в холодное время года, ввиду отсутствия окон, службы не проводились.
В 2014 году в Михайловке был организован приходской совет, и работы по восстановлению храма были продолжены. 28 ноября 2019 года митрополит Пензенский и Нижнеломовский Серафим совершил чин освящения накупольных крестов храма Живоначальной Троицы.
Архитектура храма представляет собой сочетание элементов классицизма и «русско-византийского» стиля. По продольной оси расположены четверик пятиглавого храма с прямоугольной апсидой, трапезная и трёхъярусная колокольня с двумя нижними четвериковыми ярусами и восьмигранным ярусом звона. Две поперечные оси образованы ризалитами с треугольными фронтонами, отмечающими центральные оси северного и южного фасадов. В декоре храма выделяются многочисленные кокошники на барабанах и килевидные завершения наличников. Боковые грани нижнего яруса колокольни практически лишены декора, что придаёт ей тяжеловесность.
