Село Ольявидово, ранее известное как Вольявидово, впервые упоминается в исторических документах в 1551 году. В 1572 году Василий Фёдорович Воронцов продал село вместе с прилегающими деревнями Троице-Сергиеву монастырю за 700 рублей. Уже тогда в Ольявидово существовала церковь. К концу XVII века в селе стояла деревянная Троицкая церковь при 14 крестьянских дворах.
В 1584 году была построена новая деревянная Троицкая церковь с приделом во имя преподобного Сергия Радонежского. В 1738 году храм был обновлён. В 1804 году, после того как предыдущая деревянная церковь сгорела, была получена грамота на строительство каменного храма. В 1805 году на средства прихожан была возведена кирпичная Троицкая церковь. После 1823 года трапезная была перестроена и расширена.
Архитектурно храм представляет собой восьмерик на четверике, покрытый крышей, на котором расположен барабан с главкой. С восточной стороны пристроена апсида. Трёхъярусная колокольня соединена с основным зданием через трапезную с двумя приделами, обстроенную вокруг первого яруса колокольни. Внешний облик церкви выполнен в классическом стиле с элементами ампира.
В 1930-х годах храм был закрыт. В советское время в здании церкви размещались гараж и мастерская по ремонту сельскохозяйственной техники. С 1970-х годов церковь была заброшена.
С середины 2000-х годов начались реставрационные работы по восстановлению храма. Фонд Архангела Михаила оказал помощь в приобретении евхаристического набора и иконы Божией Матери «Владимирская». Также были собраны средства на изготовление и установку престолов и жертвенников для храма.