В 1866 году была построена железная дорога Рязань-Козлов. Эта линия положила начало существованию и развитию Юго-Восточной железной дороги. Так на пересечении железнодорожных направлений Козлов-Волово и Москва-Елец возникла станция Астапово, которая в 1918 году была переименована в станцию Лев Толстой. Новое название стал носить и поселок.

История Троицкой церкви в посёлке Лев Толстой неразрывно связана с историей железнодорожной станции Астапово, служащие и рабочие которой и явились инициаторами постройки храма.

Свято-Троицкая церковь-школа была домовой при Астаповском железнодорожном училище. Известно, что уже к 8 января 1910 года училище вместе с церковью было окончательно построено (годы постройки 1905—1909). А сам проектный план станции Астапово Рязанско-Kозловской железной дороги был утверждён в 1889 году.

4 февраля 1910 года Троицкая церковь была освящена и рассматривался вопрос о создании самостоятельного прихода. После длительной переписки управления РУЖД с Рязанской духовной консисторией в 1911 году открыли самостоятельный приход.

На Пасху 1911 года с разрешения настоятеля Троицкого храма в школьном рекреационном зале, прилегающем к храмовой части, была поставлена пьеса «Бедность не порок» А. Н. Островского, устраивались танцевальные вечера. Однако, не все прихожане были согласны с таким соседством и отправили письмо с просьбой правящему архиерею запретить всё это. После этого последовала резолюция: «запретить всякие увеселения в зале».

В 1924 году храм был закрыт и превращён в общеобразовательную сельскую школу. В последующее время в помещении Троицкой церкви так и действовала местная школа, затем начальные классы школы №42. 

В 2000 году храм местной районной администрацией был передан епархии. К этому времени здание церкви-школы уже стояло на охране государства как памятник архитектуры регионального значения. В этом же году начались восстановительные работы. На данный момент храм является действующим.