Църквата е най-старата в областта и е сред малкото храмове в страната, построени от руски войници преди Освобождението. Свещеникът в храма протойерей Георги Попов разказа за БТА, че църквата е издигната веднага след Руско-турската война от 1828 г.-1829 г. Тогава е сключен Одринският мирен договор и около Айдемир се настаняват и руски войски.
Предполага се, че църквата е построена около 1832- 1833 г. Осветена е година по-късно. За това разказва и запазена греда в църквата, на която е изписана 1834 година. Смята се, че е осветена на 11 юни от митрополит Григорий в деня, когато се чества празникът на Света Троица, откъдето носи и името си до днес.
Издигната от плетени пръти и кал, днес църквата е реставрирана, като изцяло е запазен автентичният ѝ вид, включително и дървената камбанария, която наскоро е била ремонтирана и възстановена. Църквата е имала и женско отделение, което е характерно за руските храмове. То вече е съборено, тъй като не е подлежало на реставрация, но останалата част от църквата, включително и носещите греди, са запазени.