История храма восходит к основанию Троицкого Битюцкого мужского монастыря, учреждённого около 1693 года по благословению святителя Митрофана Воронежского. В 1701 году в монастыре была построена деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы. В 1764 году монастырь был упразднён в ходе секуляризационной реформы, а его главная церковь по ходатайству местных жителей была перевезена в село Верхняя Тишанка и освящена 15 мая 1770 года епископом Воронежским Тихоном II.
В 1813 году, по инициативе и на средства министра внутренних дел Дмитрия Прокофьевича Трощинского, церковь была реконструирована: здание разобрали до основания, укрепили фундамент дубовыми сваями, возвели прежнее здание в прежнем виде и форме, приподняв его в высоту, покрыли железом и окрасили голубой масляной краской. 18 февраля 1815 года обновлённая церковь была освящена.
В 1823 году Д. П. Трощинский обновил иконостас, заказав 59 икон академической живописи, семь из которых были написаны академиком Владимиром Лукичом Боровиковским. В 1828 году на средства Трощинского была построена каменная колокольня, соединённая с церковью галереей, а также возведена каменная ограда. В последующие годы церковь украшалась новыми иконами, богослужебными сосудами и другими предметами церковного обихода.
В конце XIX — начале XX века было принято решение заменить обветшавшую деревянную церковь на каменную. Строительство нового кирпичного храма началось в 1905 году и завершилось в 1911 году. Новая церковь стала одной из крупнейших и красивейших в области.
В 1937 году храм был закрыт, священнослужители и некоторые работники храма были арестованы. Здание использовалось под различные хозяйственные нужды: тракторная мастерская, сепараторный цех, склад минеральных удобрений, зернохранилище, пожарная часть. В результате храм сильно обветшал.
В 1987 году, благодаря усилиям инициативной группы, храм был передан Воронежской епархии. Первая служба после долгого перерыва состоялась в 1989 году. В последующие годы проводились работы по восстановлению храма: в 2006 году был отреставрирован главный купол, в 2008 году установлен новый купол и крест на колокольне. 2 августа 2008 года митрополитом Воронежским Сергием был освящён крест.
