Согласно патриаршим окладным книгам, в 1628 году церковь Покрова Пресвятой Богородицы в селе Арбузово, находившаяся во владении Рождественского монастыря, платила дань в размере рубля и двух алтынов с деньгой. При строительстве храма в Арбузове произошло чудо, связанное с выбором места для его возведения. Жители окрестных деревень изначально выбрали для строительства церкви самое высокое место в округе, холм у деревни Пушнино с красивым видом. Там они установили закладной камень и икону Покрова Пресвятой Богородицы, проведя молебен. Однако на следующее утро камень и икона чудесным образом оказались в Арбузово, на берегу реки Ильинки. Их вернули на первоначально выбранное место, но на следующий день они снова оказались в Арбузово. После повторения чуда храм был заложен в Арбузово, как будто по указанию свыше. Так появился деревянный храм, на месте которого сейчас стоит каменный, во имя Святой Троицы. Со временем местные помещики, Федор Иванович Алябьев и Николай Александрович Шипилов, решили не ремонтировать старую церковь, а построить новый каменный храм во имя Святой Троицы с приделами Покрова Пресвятой Богородицы и великомученика Димитрия Солунского. Они обратились к епископу Ксенофонту, правящему архиерею Владимирскому и Суздальскому, с просьбой о разрешении на строительство. Разрешение было получено 7 сентября 1805 года, и в том же году началось строительство.

Возведение каменного храма длилось 24 года. Из прошения следует, что кирпич для строительства обжигался прямо в Арбузово. Старожилы утверждали, что арбузовский кирпич поставлялся даже в Москву. Летний главный храм строился дольше, чем приделы, в которых уже через четыре года после получения храмозданной грамоты начались богослужения. Возможно, строительство главного храма затянулось из-за сложности или было приостановлено во время войны 1812 года, как это часто происходило в то время. Главный алтарь храма во имя Святой Троицы был освящен в 1829 году.

Церковь и погост окружены металлической оградой с каменными столбами и воротами. После Октябрьской революции начались гонения на служителей Троицкого храма. В 1931 году Ивановский облисполком запретил колокольный звон, и Собинский райисполком сразу же начал исполнять это решение. Однако благодаря усилиям священников Александра Тихонравова и Владимира Кутузова, а также прихожан, колокольный звон удалось сохранить до 1935 года. Храм продолжал действовать в округе. С 1990-х годов в Арбузово располагается подворье Владимирского Успенского Княгинина монастыря.