Kiriku ehitusajalugu ulatub tagasi 19. sajandisse. Nõo kogudus asutati aastal 1852, suuresti eestlastest õigeusklikest, kes enne kuulusid Tartu Georgi kogudusse. Kirikuhoone ise valmis 1873. aastal ja paistab silma oma erilise arhitektuuriga. See on ehitatud maakividest ja punastest tellistest ning kirikul on viis sibulkuplit, mis on üks historitsismi tunnusjooni.

Kiriku sisemus on lihtne ja rahulik, kus on säilinud ikonostaas 19. sajandi lõpust. Nõo Püha Kolmainu kirik on oluline usuline ja kultuuriline keskus Nõo kogukonnale, kus korraldatakse regulaarselt jumalateenistusi ja muid koguduse sündmusi. Jumalateenistused Nõo Püha Kolmainu koguduses toimuvad igal kuu teisel laupäeval. Kirik ise on ka suurepärane näide Eesti ajaloolisest arhitektuuripärandist, mida tasub külastada ja uurida.