Этот деревянный храм прослужил 117 лет, но 1 сентября 1849 года произошёл пожар, в результате которого церковь полностью сгорела. С марта 1850 года богослужения стали проводить во временном молитвенном доме, однако он не вмещал всех прихожан, что обострило необходимость строительства нового, более вместительного храма.
В 1853 году церковная община подала прошение министру государственных имуществ о выделении пособия на строительство каменного храма. Также было направлено прошение митрополиту Московскому и Коломенскому Филарету об утверждении плана строительства, однако первоначально последовал отказ. Несмотря на это, прихожане продолжили собирать средства самостоятельно и получили поддержку от Палаты государственных имуществ. 11 сентября 1856 года митрополит Филарет выдал храмозданную грамоту с благословением на строительство нового храма.
Строительство началось с организации временного кирпичного завода для обеспечения необходимыми строительными материалами. Финансирование осуществлялось за счёт выделенных средств и пожертвований прихожан, которые также активно участвовали в строительных работах, предоставляя транспорт и рабочую силу. К 1860 году строительство было завершено, и новый каменный храм был освящён, начались регулярные богослужения.
В 1901 году храм был расширен: построена трапезная часть с двумя тёплыми приделами во имя Казанской иконы Божией Матери и святителя Николая Чудотворца. В этом же году возведена трёхъярусная колокольня, придавшая храму современный облик.
В советский период, когда многие храмы подвергались закрытию и разрушению, Троицкий храм в Ваулово продолжал действовать и был одним из трёх функционирующих храмов в Чеховском округе. Это позволило сохранить его архитектурное и духовное наследие.
В 2007 году в храме был установлен котёл для отопления, что позволило проводить богослужения в зимнее время. В 2009 году проведены масштабные ремонтные работы: отремонтирована крыша, обновлены купола и кресты, пол выложен плиткой, побелены внутренние стены, заменены окна и двери. 16 октября 2010 года состоялся чин обновления храма и Божественная литургия.
Архитектурно храм представляет собой бесстолпное пятиглавое сооружение с небольшой трапезной и трёхъярусной колокольней, выполненное в традициях эклектики XIX века.
При храме имеется приходская библиотека духовной литературы. С восточной стороны, на некотором удалении от алтаря, находится источник с надкладезной часовней-купелью, освящённой в честь Богоявления Господня.
