В 1531 году село Внуково, известное также как Елпатьевское, было передано князем Юрием Ивановичем в собственность Троицкому Калязинскому монастырю. В селе существовала деревянная церковь, посвященная святому Ипатию Гангрскому. Во время Смутного времени эта церковь была разрушена, но в 1633 году её восстановили.
В 1756 году на месте обветшавшей церкви была построена новая деревянная церковь. Однако к концу XIX века возникла необходимость в более вместительном и долговечном храме. В 1876 году архитектором И. П. Петровым был разработан проект каменного храма. Строительство началось в 1877 году с возведения трапезной и колокольни, которые были завершены в 1883 году. В 1884 году приступили к строительству основного объёма храма, которое завершилось в 1893 году.
Архитектурно храм выполнен в псевдорусском стиле, характерном для второй половины XIX века. Основной кубический объём храма с закомарами увенчан пятью луковичными главами, расположенными на барабанах. К зданию примыкает трапезная, соединяющая его с четырёхъярусной колокольней, завершённой высокой восьмигранной крышей с кокошниками и малой главкой. В храме имеются два придела: Ипатьевский и Макарьевский.
В 1930-х годах, в период гонений на Русскую Православную Церковь, храм был закрыт. Здание использовалось колхозом «Колос» для хозяйственных нужд, что привело к утрате значительной части внутреннего убранства и постепенному разрушению сооружения.
В 1997 году храм был передан Русской Православной Церкви, и начались восстановительные работы. В 2000 году было принято решение о создании при внуковской церкви подворья Александро-Невского женского монастыря, расположенного в селе Маклаково Талдомского района. В 2011 году внуковская церковь вновь была преобразована в приходскую.
В настоящее время Троицкая церковь является действующим храмом Дмитровского благочиния Русской Православной Церкви. При храме действует воскресная школа и библиотека.
