Древняя вотчина старинного княжеского рода Троекуровых, село Мартемьяново на реке Пахре известна с XV века. Близ села находился погост с деревянной церковью во имя Георгия Победоносца, которая несколько раз горела и вновь строилась.

В 1788 г. Анна Алексеевна Салтыкова (по женской линии Троекурова), по мужу Волынская, обратилась с прошением к митрополиту Московскому и Калужскому Платону (Левшину) разрешить построить «собственным моим коштом каменную церковь во имя Живоначальной Троицы» на новом месте. По проекту новый храм представлял собой образец раннего классицизма, с центральным объемом одноглавого двусветлого четверика, с высоким сводом, небольшой трапезной и двухъярусной с характерным шпилем колокольней. Фасады храма украшались лепным декором, с расчлененными пилетрами и завершались фронтонами.

В 1793 г. церковь Живоначальной Троицы была построена.

Отечественная война 1812 года нанесла значительный урон окрестным селам, церковь была осквернена, но не разрушена и не повреждена.

В советские годы здание церкви сильно пострадало от разрушений местными жителями и превращено в свалку. Были разобраны по кирпичику колокольня, трапезная, алтарь полностью, сняты крыши и окна.

Церковь была передана православной общине в 2000 г.

По благословению митрополита Крутицкого и Коломенского Ювеналия литургическая жизнь вновь началась в день Рождества Христова 2001г.