Фундамент будущей церкви был заложен в сентябре 1999 года при митрополите Нижегородском и Арзамасском Николае. Однако строительство практически сразу приостановилось более чем на шесть лет. С приходом в Нижегородскую епархию нового руководителя, архиепископа Георгия, работы по возведению храма в Заволжье возобновились. В июле 2003 года был создан общественный некоммерческий благотворительный фонд для поддержки прихода церкви Пресвятой Живоначальной Троицы в Заволжье. 7 июля 2003 года на собрании учредителей был избран попечительский совет фонда. 4 апреля 2005 года архиепископ Георгий совершил чин закладки первого камня.

Проект храма, основанный на приходской церкви в честь преподобномученицы великой княгини Елизаветы, недавно построенной в селе Дивеево, был значительно переработан. Увеличилась длина церкви, полностью изменились колокольня, завершения храма и декорация фасадов. Церковь имеет два престола: верхний в честь Святой Троицы и нижний в честь царя Константина и его матери царицы Елены. Архитектурный стиль постройки, русско-византийский, с объемной композицией типа «корабль».

2 декабря 2006 года архиепископ Георгий освятил кресты для храма, а освящение самого храма состоялось 10 июля 2007 года.