В 1538 г. Сысоево принадлежало Троице-Сергиевому монастырю и входило в приход села Кончинино, где находилась деревянная церковь во имя Архангела Михаила.
В 1898 г. прихожане обратились в Московскую Духовную консисторию с прошением построить каменный храм на новом месте, при деревне Сысоево.
В 1900 г. разрешение на постройку Троицкого храма было получено, и по проекту Сергея Константиновича Родионова в течение шести лет была возведена ныне существующая церковь. Основные средства на строительство пожертвовали фабриканты Иван Антонович Орлов и купец Иван Дмитриевич Першин. С помощью жителей окрестных деревень строительство было завершено.
Храм освящен в 1896 г. В новой церкви были устроены приделы во имя Архангела Михаила и святителя Николая.
В годы советской власти храм не закрывался.