Первое упоминание о церкви в селе Петровское относится к 1511 году. Вдова князя Даниила Дмитриевича Холмского, княгиня Василиса, передала село Петровское Троице-Сергиеву монастырю. В дарственной грамоте упоминается церковь: «...се яз княгини Василиса княжа Данилова Дмитриевича Холмсково... дала в дом Живоначальной Троице во общи чудотворцов Сергиев монастырь... Село Петровское, а в нем церковь Поклоненье честных вериг Святого апостола Петра...»
В 1697 году была построена новая деревянная церковь. Однако в начале XVIII века она пришла в ветхость, и возникла необходимость в строительстве нового храма. В 1830 году крестьяне села Петровское обратились в Московскую духовную консисторию с прошением о постройке каменной церкви на собственные средства. Разрешение было получено в 1834 году, и строительство продолжалось до 1843 года. В 1844 году был освящен придельный храм во имя Первоверховных Апостолов Петра и Павла, а в июне 1847 года — главный храм.
Архитектурно храм выполнен в стиле классицизма. Каменное здание с колокольней имеет три престола: главный — в честь Живоначальной Троицы, и два придела — во имя святых апостолов Петра и Павла и Успения Пресвятой Богородицы.
В 1922 году, в период изъятия церковных ценностей, из храма были изъяты серебряные изделия и парчевая риза с иконы. В конце 1933 года церковь была закрыта и перестроена под кинотеатр, что привело к утрате первоначального облика: была сломана колокольня, изменена трапезная, уничтожены северный и южный фасады, разобрана ограда.
В 1992 году храм был возвращен верующим, а в 1993 году в нем возобновились богослужения. В настоящее время ведутся реставрационные работы по восстановлению храма.
