Троицкий храм в городе Обояни был заложен в 1898 году, заменив собой Троицкую церковь, построенную в 1743 году. Строительство шло стремительно, и богослужения начались еще до его завершения. Храм, окончательно возведенный в 1908 году, стал главным в Обояни, объединив приходы Троицкого храма и приписного храма Александра Невского, который оставался приписным до 1917 года. Вокруг храма располагался центральный рынок.

В 1917 году приход был закрыт по решению Обоянского Совета народных депутатов и использовался не по назначению. Весной и летом 1943 года службы в храме возобновились, а его подвалы служили бомбоубежищем от немецких авианалетов.

22 декабря 1990 года в храме установили колокола. С 1990 по 19 августа 1993 года храм находился под контролем раскольников, пока не был освобожден силами ОМОН.

В 2008 году отмечалось 100-летие освящения храма, а в 2009 году начались внутренние ремонтные работы.