В 1751 году коллежский асессор К.М.Матвеев (1703 — 1775), «энергичный промышленник из тульских крестьян», купил у корнета лейб-гвардии Конного полка Александра Яковлевича Голицына деревню Остафьево и сельцо Климово. Новый хозяин сразу же соединяет Остафьево с Климовым плотиною через речку Любучу и строит барский дом. В 1758 году Матвеев основывает в Остафьеве сначала красочную, а затем суконную фабрику, положившую начало распространению по всей округе прядильно-ткацкого производства.

После его смерти все наследство перешло к жене Анисье, которая в 1778 году получила разрешение на перенос престола великомученика Георгия из старой церкви принадлежащего ей села Резаново. В 1781 году постройка храма была завершена и деревня Остафьево стала именоваться селом Остафьевым. По прошению хозяйки «в вотчине ее Пехрянской десятине деревни Остафьевой» велено его Преосвященством Платоном, архиепископом Московским и Калужским, освятить 1 июля 1782 года новопостроенную церковь «во имя Живоначальные Троицы и в приделе Великомученика Георгия».

Об авторстве проекта Остафьевской церкви, к сожалению, сведения не сохранились. Построенная очень удачно на высоком месте из красного кирпича, оштукатуренная, с белокаменным и лепным декором, она имеет интересное объемное решение основной части храма, представляющее сочетание четверика и вписанной в него ротонды, перекрытой куполом с люкарнами. Композиция плана указывает на тесную связь памятника с культовой архитектурой барокко. С западной стороны к основному объему храма примыкают трапезная, служившая зимней церковью, а с восточной – алтарная часть, выполненная одинаково как по высоте, так и по ширине. Колокольня – трехъярусная, обработана аналогично основной части храма. В 1866 году вокруг церкви П.А.Кудряшовым была сделана кирпичная ограда, заполненная деревянным резным узором, простоявшая около ста лет.

С самого начала XIX века, когда владельцами Остафьева стало семейство князей Вяземских, это место становится одним из центров отечественной культуры. И многие из приезжавших к ним, несомненно, приходили в церковь Живоначальной Троицы. Первый хозяин Андрей Иванович Вяземский (1754 — 1807) – прямой потомок Владимира Мономаха, генерал-поручик, действительный тайный советник и кавалер, прекрасно образованный, был яркой и самобытной личностью. После его смерти Остафьево переходит к сыну — князю Петру Андреевичу Вяземскому (1792 — 1878) – известному поэту и литературному критику, не раз принимавшему здесь своего друга А.С.Пушкина. Затем имение переходит к его сыну — князю Павлу Петровичу Вяземскому (1820 — 1888) — историку и библиографу, ученому-палеографу, основателю Общества любителей древней письменности.

Почти двенадцать лет прожил в Остафьеве императорский историограф Николай Михайлович Карамзин — голос и совесть целой эпохи. Здесь, по его словам, «…текли средние, едва ли не лучшие лета моего века, посвященные семейству, трудам и чувствам общего доброжелательства, в тишине страстей мятежных». И, как православный человек, он, приходя в храм Остафьевской земли, находил покой и отраду своей душе, утешение в скорбях, мужество и терпение, составляя «ноты русской истории» под названием «История государства Российского».

Стены храма, как и усадьба «Русский Парнас», хранят память о людях из первого ряда национальной культуры, цвете умственной интеллигенции. Это поэты К.Н. Батюшков, В.А. Жуковский, В.Л. Пушкин – дядя великого поэта, А.И. Тургенев – близкий друг Н.И. Новикова, писателя, журналиста и издателя, дружившего с А.И. Вяземским; граф А.И. Мусин-Пушкин – государственный деятель, археограф, историк и коллекционер, прославившийся открытием и первой публикацией «Слова о полку Игореве»; писатель М.М. Херасков, баснописец И.И. Дмитриев, историк М.П. Погодин; будущие декабристы В.К. Кюхельбекер, М.С. Лунин; Н.И. Тургенев, герой войны 1812 года поэт Денис Давыдов; наконец, А.С. Грибоедов, Адам Мицкевич, Н.В. Гоголь и сам Александр Сергеевич Пушкин.

Последним владельцем Остафьева из рода Вяземских был князь Петр Павлович Вяземский — правнук Андрея Ивановича. В 1898 году он продал Остафьево историку графу Сергею Дмитриевичу Шереметеву (1844 — 1918), женившемуся еще в 1868 году на его сестре Екатерине Павловне Вяземской. При Шереметевых Остафьево вновь стали посещать видные деятели литературы и искусства.

Около паперти бокового входа в храм находились три могилы (в 1930-е годы их сравняли с землей вместе с другими) малолетних детей князя Петра Андреевича. В 1929 году рядом с ними была захоронена дочь Павла Петровича, 80-летняя графиня Екатерина Павловна Шереметева, урожденная княжна Вяземская. Эта могила также была поругана, однако восстановлена сотрудниками музея-усадьбы Остафьево в 1991 году.

Всех священнослужителей, как и положено, хоронили около церкви, а самих священников — у стен алтарной ее части. Последними из священников были захоронены Михаил Петровский в 1922 году и Александр Архангельский в 1929 году.

Первый ущерб храму был нанесен властями в 1922 году, когда по акту изъяли все, что было сделано из драгоценного металла. Тем не менее церковная служба продолжалась, и все оставшееся содержалось в полном порядке. Богослужение в 1930-е годы вели священник Василий Иванович Крымкин, дьякон Василий Сергеевич Моисеев и его брат псаломщик Николай Сергеевич плоть до закрытия церкви.

В начале 1929 года распоряжением Мособлисполкома было решено закрыть остафьевскую церковь и передать ее под клуб местной камвольно-прядильной фабрики. Однако, после внеочередного заседания церковного Совета, на котором против этого решения выступила Е.П.Шереметева с призывом защитить храм, верующие категорически отказались закрыть его.

К 1935 году богослужение в храме практически прекратилось. Началось окончательное варварское разграбление. Часть икон использовали как строительный материал для настилки «черных» полов в местной школе, другую часть разнесли по домам жители, а оставшиеся – предали огню.

В 1937 году храм окончательно закрыли. Священника и псаломщика репрессировали. Колокола сняли, уничтожили главки с крестами. Наиболее ценные предметы вывезли в различные учреждения или расхитили. В храме устроили зернохранилище.

В годы войны в пустующем здании церкви была столовая для военных Остафьевского аэродрома. После войны там хранили сельхозпродукты. Последующие долгие годы, вплоть до возвращения храма его истинным владельцам, в нем размещался швейный цех.

24 сентября 1989 года сход жителей села Остафьево принимает решение о передаче церкви Московской патриархии.

10 февраля 1991 года, по совпадению с днем памяти А.С.Пушкина, в остафьевском музее было проведено учредительное собрание, решившее вопрос создания общины прихожан церкви Святой Троицы в селе Остафьево. Всю весну и лето добровольные помощники, вместе с сотрудниками музея, старательно наводили порядок вокруг храма, убирая мусор, накопленный за последние десятилетия; а 18 августа священник Подольского Троицкого собора Вячеслав Дреев совершил первый молебен около церкви, но уже на ее территории.

Это были самые первые шаги в еще полуразрушенном храме на пути его возрождения. Не откладывая, Музей и Приходской совет храма заключили между собой соглашение о совместной работе, определив в нем, что восстановление храма является общей задачей.

19 декабря 1991 года в храме была совершена первая Божественная литургия, которую возглавил благочинный церквей Подольского округа протоиерей Александр Ганаба в сослужении с только что назначенным настоятелем остафьевского храма священником Михаилом Василенко.