Село Бирёво с середины XVIII века находилось во владении дворянской семьи Насоновых. При их содействии в 1804 году была построена и освящена каменная церковь Троицы Живоначальной. Архитектурный стиль храма классицизм проявляется в его трёхчастной композиции: двусветный четверик с одной главкой, окружённый фронтонами и портиками из тосканских колонн. Отдельно стоявшая колокольня впоследствии была соединена с храмом трапезной.
В 1824 году в церкви был устроен придел во имя Покрова Пресвятой Богородицы. Строительство и освящение придела было связано с именем иеромонаха Максима из Николо-Пешношского монастыря, однако из-за его болезни освящение было совершено священником Иоанном Озерецким.
В 1840-х годах между храмом и колокольней была построена новая трапезная, а во второй половине XIX века церковь была обнесена кирпичной оградой. В советский период, начиная с 1937 года, храм был закрыт, в его помещениях разместилась стеклодувная мастерская, функционировавшая до 1967 года. Здание постепенно приходило в упадок: разрушались полы, проёмы дверей и окон, страдали внутренние росписи.
В 1997 году местные жители обратились с просьбой открыть Троицкую церковь, и в том же году начались регулярные богослужения в временно предоставленном помещении. С 2000 года началась реставрация храма, целью которой было восстановление его исторического облика и возвращение утраченных элементов.
Архитектурно храм представляет собой одноглавое здание в стиле классицизма с элементами барокко, такими как скруглённые углы апсиды. Внутреннее пространство храма отражает замысел архитектора: высокие узкие арочные ниши чередуются с полуциркульными окнами, создавая эффект аркады и облегчая восприятие массивных стен.
