Первоначально на месте современного храма находилась деревянная церковь, построенная в 1768 году. В 1822 году на её месте была возведена новая каменная Троицкая церковь. Строительство осуществлялось на средства прихожан, собравших 7126 серебряных рублей, а также при поддержке уездного дворянства и купцов Ковалишенко и Зиновьевых, пожертвовавших значительные суммы. Архитектурные работы выполнялись местной артелью каменщиков, а внутреннее убранство оформлял бирюченский изограф Алексей Глушкин. В храме находилась особо почитаемая икона «Знамения», привезённая атаманом Шамраем, и картина «Тайная вечеря» над царскими вратами.
В начале 1930-х годов храм был разрушен. С 1936 по 1939 год на его месте было построено здание Засосенской школы, которое в период с августа 1942 по январь 1943 года использовалось как немецкий госпиталь. Впоследствии здание вновь функционировало как учебное заведение.
В 2008 году началось строительство нового деревянного храма на месте утраченного. Здание было возведено за полтора месяца и освящено в 2009 году. В ноябре 2009 года был освящён новый Свято-Троицкий храм, однако его малые размеры не позволяли вмещать всех молящихся. По просьбе прихожан было принято решение о расширении здания храма. 29 сентября 2013 года митрополит Белгородский и Старооскольский Иоанн совершил чин освящения обновлённого храма Святой Живоначальной Троицы в селе Засосна.
