В 1755 году по заказу Алексея Разумовского была построена Трехсвятительская церковь. Храм был построен над могилой Григория Разумовского, отца Алексея и Кирилла. Церковь была названа во имя трех святителей — Григория Богослова, Василия Великого и Иоанна Златоуста. По церковным документам, храм был построен по заказу Алексея Разумовского, хотя за строительством скорее всего следила его мать Наталья Демьяновна. Имя архитектора храма точно не установлено.
Существуют предположения, что храм строил одновременно с собором в Козельце А.В. Кавасов. Существует и вторая версия — так как архитектурно-художественное решение церкви очень близко к переходу от барокко к классицизму, то есть основание считать автором проекта Семена Карлина, который заканчивал строение соборной колокольни в Козельце. По третьей версии, архитектором храма мог быть И.Г. Григорович-Барский. Это все тот же тип однокупольных центрических сооружений, сохранившихся в Глухове и Коропе, которые так пришлись по душе украинским зодчим своей симметрией, пирамидальностью, строгим распорядком в расположении масс и деталей. Уравновешенная «всефасадная» композиция таких зданий требует их расположения на открытых площадях, обеспечивающих обозрение храмов издали и с любой точки. Этот принцип полностью соблюден и в Лемешах: стоящий на небольшом бугре, этот храм хорошо сливается с окружением, слегка доминируя над ним.
По проекту архитектора Куцевича в 1875 году была построна двухъярусная колокольня. Построили также крытый переход, который соединил колокольню с церковью. Такие перестройки были распространены во многих церквях и пришлись на время, когда родовые усыпальницы утратили свое значение и стали использоваться как приходы для всех прихожан.
Церковь до 1980 года использовалась как склад для минеральных удобрений. Храм попал в план реставрационных работ только благодаря тому, что в Советском Союзе проходили Олимпийские игры, а Олимпийский огонь должны были нести по трассе Киев-Чернигов. Внутренние работы были завершены к 1984 году. В результате были восстановлены деревянные конструкции крыши и купола, декор экстерьера, ранее сбитый и заштукатуренный.
