Инициатива строительства исходила от местных жителей, стремившихся иметь собственный приход для проведения богослужений и религиозных обрядов.
Каменное здание храма было возведено в центре села и стало архитектурной доминантой местности. В 1815 году в селе была построена вторая церковь — Благовещенская.
В конце XIX — начале XX века село Новомеловатка активно развивалось: в 1870 году была открыта народная школа, в 1877 году — лечебница, в 1893 и 1902 годах — две церковно-приходские школы. Это свидетельствует о значительной роли церкви в образовательной и социальной жизни села.
После революции 1917 года и установления советской власти религиозные учреждения подверглись гонениям. Точные сведения о судьбе Троицкой церкви в этот период отсутствуют, однако известно, что многие храмы в стране были закрыты, разрушены или переоборудованы под хозяйственные нужды.
В 2011 году в здании бывшей столовой села начали проводиться церковные службы. В 2012 году был заложен фундамент новой церкви рядом с Памятником Славы.
