Строительство храма было завершено в 1866 году, что подтверждается рапортом Гостагаевского станичного правления от 13 ноября того же года, адресованным командиру полка: «Строящаяся в ст. Гостагаевской церковь во имя Святой Троицы совершенно окончена и о необходимости освидетельствования таковой донесено войсковому архитектору».
Инициатива возведения храма принадлежала местному казачьему обществу, стремившемуся обеспечить духовное окормление населения станицы. В 1864 году были заключены контракты с подрядчиками Иваном Фроловым и Семёном Прохоровым на изготовление строительных материалов и последующее возведение церкви. Инженер-капитан Алалыкин курировал строительные работы, обеспечивая их соответствие утверждённым планам и качественное выполнение.
Архитектурный облик храма отражает традиции православного зодчества того времени. Здание выполнено из камня, с характерными для православных храмов элементами: куполом, арочными окнами и колокольней. Внутреннее убранство храма включало иконостас и настенную роспись, соответствующие канонам Русской Православной Церкви.
В советский период храм, как и многие религиозные учреждения, подвергся закрытию. Здание использовалось для различных хозяйственных нужд, что привело к утрате части внутреннего убранства и повреждению архитектурных элементов. Однако, благодаря усилиям местных жителей и органов охраны памятников, здание храма было сохранено и в последующие годы начались работы по его восстановлению.
