Строительство первой деревянной церкви в селе Погребищи началось в 1620-х годах. В 1628 году с этой церкви в патриарший казённый приказ платили "дани 14 алтын с деньгою, наместничьих, тиунских и заезда 4 деньги", а в 1656 году "дани 19 алтын, заезда гривна". В начале XVIII века в Погребищах уже существовали две церкви: холодная Никольская и тёплая во имя иконы Владимирской Божией Матери. В 1721 году во Владимире сгорела деревянная Николо-Кремлёвская церковь, и в том же году из Погребищ была приобретена тёплая деревянная церковь во имя Пресвятой Богородицы Владимирской. Её разобрали и перевезли во Владимир, где она была собрана на месте сгоревшего храма. Точная дата строительства каменной церкви в Погребищах неизвестна, но в местных клировых ведомостях упоминается 1758 год. Церковь была пятиглавой, с позолоченными четырёхконечными крестами, украшенными царскими коронами и полумесяцем. Шатровая колокольня с двумя рядами слухов была соединена с церковью через трапезную, расширенную в середине XIX века и перестроенную в 1904 году.

В церкви было три престола: холодный, во имя Живоначальной Троицы, и два тёплых, во имя святителя Николая Чудотворца и Знамения Пресвятой Богородицы. Над престолом в Троицком храме была устроена сень на четырёх колоннах с клеймами. До закрытия храма в 1930-х годах на этом престоле находился антиминс с надписью о его освящении в 1767 году. В храме хранились особо почитаемые иконы, в том числе Святого Николая Чудотворца и образ Божией Матери Боголюбовской, написанный в 1848 году в честь избавления от холеры.

При церкви была земля: пахотная и сенокосная, общей площадью 34 десятины и 1229 саженей. Причт состоял из священника, диакона и псаломщика. Их содержание обеспечивалось службами, хлебным сбором и землёй, всего до 1000 рублей в год. В 1904 году трапезная была расширена, и в храме установлено отопление. В 1930-х годах приходской священник Николай Смирнов был репрессирован, храм закрыли и использовали как склад зерна. В 1980-х годах здание было заброшено и начало разрушаться, подвергаясь вандализму.

В 1995 году полуразрушенный храм передали епархии. Силами православной общины были проведены ремонтно-восстановительные работы, в ходе которых восстановили своды, кровлю и установили пять главок с крестами на барабанах двухсветного четверика с пологой четырёхскатной крышей.