Село Вазерки, ранее состоявшее из отдельных населённых пунктов, включая Усть-Вазерки, впервые упоминается в «Строельной книге города Пензы» 1666 года как слобода конных казаков. В 1697 году, после перевода казаков на службу в город Азов, земли слободы стали владельческими и перешли к постельничему Гавриле Ивановичу Головкину. В том же году по указу патриарха была разрешена постройка церкви во имя Похвалы Пресвятой Богородицы, освящённой в 1700 году. Позднее, в 1718 году, в слободе была построена новая церковь во имя Николая Чудотворца.
В 1762 году лейб-компании адъютант Пётр Фёдорович Гринштейн начал строительство каменного двухэтажного храма во имя Живоначальной Троицы в Усть-Вазерках. После его смерти в 1775 году строительство продолжил генерал-майор Сергей Адамович Олсуфьев, завершивший работы в 1795 году. Верхний храм был освящён в честь Живоначальной Троицы, а нижний первоначально — во имя святителя Василия Великого. В 1874 году нижний храм был переосвящён в честь Покрова Пресвятой Богородицы. В 1831 году верхний храм был повторно освящён после ремонта, а в 1865 году — после обновления иконостаса и стен. В 1911–1912 годах был проведён наружный ремонт храма.
Архитектурно храм представлял собой двухэтажное здание с прямоугольным основным объёмом, к которому с востока примыкала двухэтажная апсида с сегментовидным выступом, а с запада — трёхъярусная колокольня. Первоначально храм имел деревянный восьмерик с куполом, купол со шпилем на колокольне, крышу и междуэтажные перекрытия, а также четырёхколонные портики, отмечавшие с трёх сторон нижний ярус колокольни. Внутреннее убранство включало трёхъярусный иконостас в верхнем храме и двухъярусный — в нижнем.
В 1930-х годах храм был закрыт и использовался в хозяйственных целях. В 1946 году храм был вновь открыт, но в феврале 1959 года сгорел, и в 1960 году последовало официальное постановление о закрытии прихода.
В 2003 году приход был вновь зарегистрирован. Летом 2010 года начались богослужения в разрушенном храме. Была выкуплена бывшая церковная сторожка, в которой обустроили молитвенный дом святителя Василия Великого. 14 января 2011 года в нём была совершена первая служба. В апреле 2011 года на здание установили купол. В настоящее время ведутся работы по восстановлению храма. 27 сентября 2024 года был освящён накупольный крест и купол для восстанавливаемого храма в честь Святой Троицы.
