Село Полдеревка известно с XVII века и входило в состав Арефинской волости Муромского уезда Владимирской губернии. В конце XIX века, учитывая рост населения и потребность в более вместительном храме, было принято решение о строительстве нового каменного храма. Основными инициаторами строительства стали купец Родион Гаврилович Быков и местные жители. Средства на возведение храма предоставили как местные жители, так и частные благотворители.
Строительство церкви было завершено в 1887 году. Храм был построен на возвышенном месте и включал три престола: главный — во имя Живоначальной Троицы, и придельные — во имя святителя Николая Чудотворца и святого пророка Осии. Церковь была хорошо обустроена, снабжена иконами, церковными книгами и необходимой утварью.
В советский период, начиная с 1920-х годов, церковь подверглась репрессиям. В 1937 году священник Константин Васильевич Лебедев был арестован и расстрелян. В годы советской власти храм был закрыт, а его имущество конфисковано. Здание пришло в запустение, и внутреннее убранство было уничтожено.
В 2011 году начались восстановительные работы храма. 28 мая 2012 года епископ Выксунский и Павловский Варнава совершил чин освящения купола и креста для храма в честь Успения Божией Матери. Освящение крестов и установка их на храм стали значимым этапом в процессе восстановления.
15 сентября 2012 года епископ Варнава совершил чин освящения восстановленного храма в честь Пресвятой Живоначальной Троицы. После освящения была совершена первая Божественная литургия. Восстановление храма стало важным событием для местной общины и способствовало возрождению духовной жизни в селе.
В настоящее время церковь действует, в ней регулярно проводятся службы. Рядом с храмом установлен обелиск в память о погибших в Великой Отечественной войне. Планируется дальнейшая реконструкция и благоустройство территории вокруг храма, а также организация скита Выксунского Иверского женского монастыря на этом месте.
