Село Трёхстенки было основано в первой половине XVIII века выходцами из Острогожска. По данным на 1767 год, в селе насчитывалось 18 дворов и проживало 67 мужчин. Название села связано с тем, что земли его крестьян были расположены в трёх разных местах, называемых «стенками».
В 1856 году в центре села была построена кирпичная церковь во имя Успения Пресвятой Богородицы. В 1881 году к храму была пристроена колокольня. Церковь расположена на высоком холме и окружена кирпичной оградой с воротами. Архитектурно храм представляет собой двухсветный кубический объём, увенчанный небольшим цилиндрическим световым барабаном с луковичным куполом. К храму примыкают пониженные равновысокие прямоугольная трапезная и полукруглая апсида. Нижний ярус двухъярусной колокольни несколько шире трапезной и образован повышенным четвериком с боковыми объёмами и крытым крыльцом западного входа. Ярус звона колокольни представляет собой восьмерик с широкими фасадными гранями, увенчанный восьмигранным шатром с луковичной главкой. Углы всех фасадов подчеркнуты лопатками с филёнками, а объёмы завершены сильно вынесенным карнизом. Северный и южный фасады четверика храма в нижней части декорированы филёнками. Все проёмы арочные, с килевидными архивольтами на кронштейнах. В декоре колокольни черты русского стиля более выражены: фасады нижнего яруса завершены аттиками-закомарами, сдвоенные окна объединены широкими килевидными наличниками, а грани яруса звона венчают килевидные кокошники, образующие венец в основании шатра.
Внутреннее пространство храма также имеет интересные архитектурные решения. Храмовая часть перекрыта четырёхлотковым сводом со световым кольцом и распалубками над окнами второго света; алтарь — конхой; трапезная — цилиндрическим сводом с распалубками над окнами. Подколокольное пространство первого яруса имеет парусный свод, а западное крыльцо — цилиндрическое перекрытие. На стенах в трапезной и алтаре сохранились масляные росписи, обновлённые в XX веке. Иконостас трёхъярусный, с деревянными резными позолоченными рамами, аналогичные рамы имеют все основные иконы церкви.
В 1994 году церковь была поставлена под государственную охрану как памятник истории и архитектуры Воронежской области.
В 1980-х годах XVIII века священником в церкви служил Василий Фёдорович Лебедев. С 1905 года священником был отец Митрофан Тихомиров, который вёл службу с перерывами до 1961 года. После его отъезда в церкви не было постоянного настоятеля. Лишь в 1969 году в Успенскую церковь приехал новый священник — отец Александр Викторович Долгушев, который прослужил в Трёхстенках до 1989 года, после чего переехал в Каменку.