Поселение на месте Ознобишино, по археологическим данным, могло существовать уже в начале XIII в. В 1629 г. в селе имелась деревянная церковь в честь Покрова Пресвятой Богородицы с приделом во имя святителя Николая.

В 1677 г. боярин Богдан Хитрово построил новую
деревянную церковь на каменном фундаменте с каменной колокольней. Иконы для нее написали иконописцы Оружейной палаты: Симон Ушаков с Никитой Павловцом - «Троицу Ветхозаветную» (1677 г.), Федор Зубов из Великого Устюга — святителя Николая. (В настоящее время иконы находятся в музее «Коломенское».)

Сохранившаяся доныне каменная церковь была построена по проекту архитектора Н.Финисова тщанием священника Алексия Беляева в середине 1860-х гг. рядом с деревянной.

В 1908-1911 гг. к храму пристроили притвор с высокой колокольней по проекту архитектора Н.Н.Благовещенского. Большое участие в строительстве принял местный купец Лапшин.

В 1889 г. настоятелем Троицкого храма стал священник Димитрий Беляев, который прослужил в храме более 30 лет. В 1922 г. отца Димитрия арестовали, но в том же году освободили «за недоказанностью преступления». Умер отец Димитрий своей смертью, по некоторым свидетельствам, в 1927 г., похоронен за алтарем храма. Последний священник перед закрытием храма отец Александр Троицкий был арестован осенью 1937 г. и приговорен к 10 годам ссылки в лагерь. Дальнейшая его судьба неизвестна.

Храм действовал до 1937 г., когда деревянную церковь разобрали на бревна, а каменную закрыли.

После закрытия в храме располагались конюшня, шляпная фабрика, зернохранилище, склад, цех по изготовлению проволочной сетки. В военные годы солдаты в ожидании отправки на фронт повредили росписи на стенах, стреляя по ним.

В 1991 г. храм передали Русской Православной Церкви. Он был приписан к храму Успения Пресвятой Богородицы в поселке Щапово, и первые работы по его восстановлению провел настоятель этого храма. В 1995 г. в Троицкий храм назначили священника. Первая, после почти 60-летнего перерыва, Божественная литургия совершилась в 1996 г.

К 2003 г. в целом завершилась внешняя реставрация храма, восстановлена большая часть росписей; благоустраивается территория. При храме действует библиотека, а также воскресная школа для детей.

В храме хранятся иконы с частицами святых мощей мученика Трифона, священномученика Фаддея, архиепископа Тверского, и священноисповедника Агафангела, митрополита Ярославского.