Первое упоминание о деревянной кладбищенской церкви на этом месте датируется 1647 годом. В период с 1696 по 1700 годы на средства местного купца Никиты Фёдоровича Шустова был возведён каменный храм во имя Святой Троицы с приделом в честь Успения Пресвятой Богородицы. Строительство осуществлялось артелью каменщиков, ранее работавших в Солотчинском монастыре. Белокаменную резьбу выполнил мастер Маркел Степанов. В 1808 году к церкви был пристроен южный придел во имя святителя Николая Чудотворца, а также дом причта. У алтаря этого придела похоронен иерей Фёдор Григорьевич Пустынский (1787–1833), чьими трудами и был построен придел.
Архитектурно храм представляет собой бесстолпный пятиглавый четверик, завершённый пирамидой кокошников, заполненных декоративными раковинами. К храму примыкает четырёхъярусная колокольня, на фасаде которой изображены лев и единорог, символизирующие принадлежность Дединова к дворцовому ведомству. В наружном убранстве здания широко использована ордерная декорация и разнообразный резной растительный орнамент, покрывающий белокаменные наличники окон и порталов. Синтез архитектуры, пластического искусства и живописи позволяет рассматривать церковь как уникальное художественное произведение.
Храм также связан с историей российского судостроения. В XVII веке в Дединове находилась верфь, где в 1669 году был построен и спущен на воду первый российский военный корабль «Орёл». Пётр I неоднократно посещал Дединово и, согласно указу от 14 февраля 1718 года, отправил в Троицкую церковь образцовый струг (коломенку), который хранился в храме в течение 150 лет.
В 1930-х годах храм был закрыт советской властью. В 1974 году он был признан памятником федерального значения и взят под охрану государства. В 1989 году здание было передано епархии в крайне запущенном состоянии. С 2000 года ведутся реставрационные работы, в ходе которых восстановлены купола, кровля, оконные рамы и решётки, а также проведены работы по газификации храма. В 2009 году здание храма было передано приходу по договору безвозмездного пользования.
