Село Большая Брембола, расположенное у речки Вертляники, находится в четырех верстах от уездного города и в 122 верстах от губернского. В XVII веке, согласно переписным книгам 1678 года, село принадлежало различным помещикам: стольнику Релату, Пятову, Вяземскому, Плохово, Чевкину, Сумарокову, Костерину и Чернцову.

Церковь в Большой Бремболе существовала уже в начале XVII века. В патриарших окладных книгах 1628 года она упоминается как церковь святого пророка Илии. В 1706 году на средства владельца А. И. Янова вместо старой деревянной церкви был построен нынешний каменный храм. В церкви три престола: в холодной части, во имя Святой Живоначальной Троицы, а в теплых приделах, в честь Покрова Божией Матери и святого пророка Илии. Церковь хорошо обеспечена утварью, ризницей, святыми иконами и богослужебными книгами. Среди древних священных предметов хранится напрестольный крест с 11 частицами святых мощей и Евангелие, изданное в 1677 году и подаренное помещиком Яновым.

Церковные документы сохранились в полном объеме, включая копии метрических книг с 1780 года и исповедные росписи с 1829 года. В штате церкви числятся священник и псаломщик. Их содержание обеспечивается процентами с причтового капитала в размере 70 рублей с 1750 рублей, доходами от пахотной и сенокосной земли в 135 рублей, хлебного сбора в 30 рублей и служб и треб в 210 рублей, всего 445 рублей в год. Для священника построен общественный дом, а псаломщик проживает в собственном доме.

Земельный участок при церкви включает 1 десятину 100 саженей усадебной земли, 29 десятин 146 саженей пахотной, 5 десятин сенокосной и 3 десятины 640 саженей неудобной земли, всего 39 десятин 482 сажени. На эту землю имеется план. Приход включает село, сельцо Словеново в двух верстах от церкви и деревню Короткова также в двух верстах, где по клировым ведомостям числится 352 мужчины и 383 женщины, все православные.

До 1969 года храм находился в законсервированном состоянии, после чего местный историко-архитектурный музей вывез все ценное, оставив опись. После этого храм начал быстро разрушаться. К моменту передачи в епархию в 1998 году он был в плачевном состоянии, оставались лишь стены и купол над летним храмом. С 1998 по 2011 год усилиями прихожан и настоятеля храм был восстановлен. Однако 27 апреля 2011 года в храме произошел пожар, который полностью его уничтожил. После этого началось капитальное восстановление по современным проектам. Были восстановлены своды, крыша в зимних приделах, кровля над летним сводом, купол над колокольней, частично оштукатурены и шпаклеваны стены, установлены двери, рамы, электрика и отопление. Также была восстановлена церковная сторожка.