Строительство первой деревянной церкви в селе Погребищи относится к 1620-м годам. С этой церкви в 1628 году в патриарший казённый приказ платилось «дани 14 алтын с деньгою, наместничьих, тиунских и заезда 4 деньги», а в 1656 году «дани 19 алтын, заезда гривна». В начале ХVIII века в Погребищах значатся уже две церкви: холодная Никольская и тёплая во имя иконы Владимирской Божией Матери. В 1721 году в городе Владимире сгорела деревянная Николо-Кремлёвская церковь. В этом же году взамен сгоревшего храма в Погребищах была приобретена тёплая деревянная церковь во имя Пресвятой Богороицы Владимирской. Её разобрали, перевезли во Владимир, и снова собрали на месте сгоревшей Николо-Кремлёвской церкви. Дата строительства каменной церкви в Погребищах с точностью не известна; в местных клировых ведомостях значится 1758 год. Церковь была выстроена пятиглавой, кресты на главах были установлены позолоченные, четырёхконечные, с цепями, поверх которых красовались царские короны, а внизу под крестом — полумесяц. Шатровая колокольня с двумя рядами «слухов» была соединена с церковью посредством трапезной, расширенной, вероятно, в середине ХIХ века и вновь перестроенной в 1904 году.
Престолов в церкви три: холодный — во имя Живоначальной Троицы, и тёплые — во имя святителя Николая Чудотворца и Знамения Пресвятой Богородицы. Над престолом в Троицком храме на четырёх колоннах с клеймами вверху и по бокам была устроена сень. До закрытия храма в 1930-х годах на этом престоле находился антиминс со следующей надписью: «повелением самодержавнейшей великой государыни нашея императрицы Екатерины Алексеевны всея России и благословением святого Синода священнодействован преосвященным Павлом, епископом Владимирским и Муромским, в 1767 году». В храме до его разграбления находились особо почитаемые иконы — Святого Николая Чудотворца и образ Божией Матери Боголюбовской, список которой был написан в 1848 году по случаю избавления от холеры.
При церкви имелась земля: пахотная и сенокосная — 34 десятин, 1229 саженей. Причта по штату положено: священник, диакон и псаломщик. Содержание причт получает от служб и треб, хлебного сбора и земли, — всего до 1000 рублей в год. В 1904 году была расширена трапезная и в храме проведено отопление. В 1930-х годах приходской священник Николай Смирнов был репрессирован. Храм был закрыт и использовался под склад зерна. В 1980-х годах помещение было заброшено, бывший храм стал постепенно разрушаться, кладка получила повреждения, как и от времени, так и от вандалов, которые пытались разобрать здание на кирпич.
В 1995 году полуразрушенный храм был передан епархии. Силами православной общины были проведены ремонтно-восстановительные работы, в ходе которых восстановлены своды, кровля, установлены 5 главок с крестами на барабанах двухсветного четверика с пологой четырёхскатной крышей.
