Село Троицкое Сызранского района Самарской области было основано в 1712 году кашпирским воеводой Семёном Константиновичем Дмитриевым. Изначально село состояло из двух разных сёл, носивших имена храмов - село Троицкое и село Богородское, позже разросшихся и объединившихся в одно. Село известно также тем, что в нём родился поэт, баснописец и государственный деятель Иван Дмитриев (1760-1837).

Троицкий храм по праву считается одним из старейших в Самарской области. В церковных ведомостях второй половины XIX века датой его постройки обозначен 1730 год. Церковная летопись, попавшая не в Сызрань, а в Самару, в Центральный государственный архив Самарской области, точной информации на данный счёт не содержит.

Трёхпрестольный каменный храм в стиле барокко был возведён на речке Тешерек местной помещицей Елизаветой Ивановной Дмитриевой (в монашестве Екатерина), вдовой Сызранского воеводы Якова Семёновича Дмитриева. Одноглавый восьмерик на четверике в одной связи с трёхъярусной колокольней. На колокольне, под звонницей, Елизавета Ивановна велела построить для себя келью, в которой и прожила всю оставшуюся жизнь. Престолы в северном и южном приделах – во имя святого Апостола и Евангелиста Иоанна Богослова и Покрова Пресвятой Богородицы – освятил игумен Сызранского монастыря Корнилий в 1731 году. Обряд освящения главного престола во имя Троицы Живоначальной провёл сызранский протопоп Стефан с благословения архиепископа Казанского и Свияжского Иллариона в 1733 году.

Основное помещение было холодным, тогда как приделы отапливались. Храм неоднократно ремонтировали. В 1882 году расширили трапезную. В 1885 году на 1200 рублей сделали иконостас и арку в приделах. Средства на ремонт трапезной и иконостас собрали из трёх источников, часть пожертвовал помещик Дмитриев, часть взяли из церковных и приходских средств. В 1908 году основная часть храма стала тёплой – на пожертвования прихожан в алтаре поставили железную печь. Позднее все помещения отмыли, полы, двери и ограду покрасили, потолки побелили, а печи переделали. Весь ремонт, который обошёлся в 1600 рубублей, выполнил крестьянин Владимирской губернии Иван Васильевич Абросимов.

Церкви принадлежало 68 десятин земли, из которой 1 десятина приходилась на церковную усадьбу, 30 – на пашню и 3 – на сенокос. 34 десятины при сельце Дмитриевка Самарского уезда завещал в пользу храма и причта мещанин А. И. Мельников.

Службу в Троицкой церкви проводили священник с диаконом. В 1905 г. священник Иоанн Благовидов (73 лет) был уволен на покой за штат, его сменил Михаил Петрович Архангельский (24 лет), которому помогал диакон Александр Иванович Малинин (22 лет). По данным 1900 года, в приходе насчитывалось 432 двора (1379 человек мужского пола и 1451 женского пола). К приходу храма относились крестьяне из села Димитриево и окрестных деревень (Бутырки, Ивановская), а также мещане и военные. В церковной сторожке работала школа грамоты. Сбором средств для прихода ведало церковно-приходское попечительство, открытое в 1894 году.

После закрытия храма в 1930-е годы в помещении располагался склад зерна, в 50-е годы устроили молокозавод, с частичным разрушением храма в его южном пределе. Некоторое время в церковных стенах действовал цех по обработке дерева, в 60-е годы хранились минеральные удобрения, а именно аммиачная селитра, что негативно повлияло на внутреннее состояние стен.

Заброшена с середины 1960-х, возвращена Русской Православной Церкви в 1991 году в плачевном состоянии. Благодаря спонсорской помощи фонда Брагина, Шишова и Сорокина и на средства прихожан храм был частично отреставрирован. В различные годы настоятелями состояли священники Владимир Шепелев, Алексей Тверсков (с 2005 года), Вячеслав Нурбекян (2008–2017 год), иеромонах Андроник (в миру – Артём Сергеевич Рогожкин).

Приход зарегистрирован 14 апреля 2003 года. До 2007 года храм простоял со старым крестом и старыми главами, в 2008 году установлены новые.

В 1992 году здание церкви внесено в список историко-культурного наследия Самарской области.