Первое упоминание о деревянной церкви в Захарово датируется 1759 годом, когда был возведён храм во имя Живоначальной Троицы. Этот храм служил духовным центром для жителей села Захарово и близлежащих деревень Куваево, Котюрево и Казанково.
В 1835 году, ввиду ветхости деревянного строения, было принято решение о строительстве нового каменного храма. В том же году состоялась закладка первого камня, и начались строительные работы. Однако в 1840 году произошёл пожар, уничтоживший деревянную церковь вместе с церковной утварью и документацией, что оставило прихожан без места для богослужений на период строительства нового храма.
К 1844 году строительство каменного храма было завершено, и он был освящён во имя Живоначальной Троицы. В 1850-х годах к основному объёму храма были пристроены трапезная с приделами во имя Архангела Михаила и Смоленской иконы Божией Матери, а также шатровая колокольня. Архитектура храма выполнена в стиле классицизма с элементами средневекового романтизма. Проект колокольни разработан архитекторами Н.В. Никитиным и В.О. Грудзиной.
В 1889 году при храме была открыта церковно-приходская школа.
После революции 1917 года храм продолжал функционировать, однако в 1922 году в рамках кампании по изъятию церковных ценностей из него было вывезено 7,3 кг серебряной утвари. В 1937 году храм был закрыт, и его помещения переданы под нужды села. Здание использовалось как клуб для танцев и кинопоказов, при этом были утрачены главный купол и колокольня, что существенно изменило внешний облик храма.
В послевоенный период здание храма было заброшено и постепенно разрушалось. Кровля трапезной части была снята, что привело к разрушению кирпичной кладки, сводов и росписей. Крест на колокольне сохранился, поскольку до него не смогли добраться. Чугунная плитка, которой был выложен храм, исчезла бесследно.
В 1994 году храм был вновь открыт для богослужений, и начались работы по его восстановлению. В 1996 году рядом с разрушенным алтарём храма была построена новая, небольшая тёплая церковь.
В 2012 году стартовали работы по восстановлению Свято-Троицкой церкви.
