Деревня Сысоево впервые упоминается в писцовых книгах первой половины XVI века. В то время она принадлежала Троице-Сергиеву монастырю и входила в приход села Кончинино, где находилась деревянная церковь Михаила Архангела. К концу XIX века возникла необходимость строительства нового храма для обеспечивания духовного окормления местного населения. В 1898 году прихожане обратились в Московскую духовную консисторию с прошением о возведении каменного храма на новом месте при деревне Сысоево. В 1900 году было получено разрешение на строительство. По проекту архитектора Сергея Константиновича Родионова в течение шести лет была возведена ныне существующая церковь. Основные средства на строительство пожертвовали фабрикант Иван Антонович Орлов и купец Иван Демидович Першин.
Архитектурно храм выполнен в псевдорусском стиле, напоминающем «годуновские» храмы конца XVI века, и увенчан приземистым шатром. Небольшая трапезная соединяет храм с двухъярусной шатровой колокольней. Стены и своды интерьера украшены орнаментом и сюжетной масляной живописью. Главный четырёхъярусный и малые приделы золочёных иконостасов с иконами соответствуют времени постройки храма. Пол выстлан метлахской плиткой.
В советское время церковь не закрывалась. Попытки погромов были, но прихожанам удалось отстоять свой храм. Староста Наталья Алексеевна Прохорова даже под угрозами смерти отказывалась передать сотрудникам НКВД ключи от церковных дверей, благодаря чему Троицкая церковь продолжала функционировать. После её кончины её похоронили в церковной ограде за алтарём Никольского придела.
Во время Великой Отечественной войны немецкие солдаты заходили в храм, но ничего не разрушили, и церковь осталась невредимой.
В настоящее время при храме действует воскресная школа. Престольные праздники отмечаются в День Святой Троицы (переходящая дата, на 50-й день после Пасхи), а также в дни памяти Архистратига Михаила (19 сентября и 21 ноября) и святителя Николая Чудотворца (22 мая, 11 августа и 19 декабря).
