В 1751 году коллежский асессор К.М. Матвеев приобрёл деревню Остафьево и сельцо Климово. В 1758 году он основал в Остафьеве красочную, а затем суконную фабрику, положившую начало развитию прядильно-ткацкого производства в округе. После его смерти в 1775 году имущество перешло к его супруге Анисье. В 1778 году она получила разрешение на перенос престола великомученика Георгия из старой церкви села Резаново. Строительство нового храма было завершено в 1781 году, и 1 июля 1782 года архиепископ Московский и Калужский Платон освятил церковь во имя Живоначальной Троицы с приделом великомученика Георгия.
Архитектурно храм представляет собой сочетание четверика и вписанной в него ротонды, перекрытой куполом с люкарнами. С западной стороны к основному объёму примыкает трапезная, служившая зимней церковью, а с восточной — алтарная часть. Трёхъярусная колокольня обработана аналогично основной части храма. В 1866 году вокруг церкви была возведена кирпичная ограда с деревянным резным узором.
С начала XIX века, когда владельцами Остафьева стали князья Вяземские, усадьба стала центром отечественной культуры. Здесь бывали многие известные деятели, включая А.С. Пушкина, Н.М. Карамзина, В.А. Жуковского и других. Храм Живоначальной Троицы был местом духовной жизни усадьбы и её гостей.
В 1922 году храм подвергся изъятию церковных ценностей. Несмотря на это, богослужения продолжались до 1935 года. В 1937 году храм был окончательно закрыт, колокола сняты, главки с крестами уничтожены. Здание использовалось как зернохранилище, столовая для военных, склад сельхозпродукции и швейный цех.
24 сентября 1989 года жители села Остафьево приняли решение о передаче церкви Московской патриархии. 10 февраля 1991 года было проведено учредительное собрание по созданию общины прихожан. 19 декабря 1991 года в храме была совершена первая Божественная литургия. С тех пор велись восстановительные работы, включая реставрацию архитектурных элементов и внутреннего убранства.
