Предшествующая деревянная церковь
Предшественницей Троицкого храма была деревянная церковь, появившаяся при Минихе, которому гостилицкое имение было пожаловано Петром I. Она находилась в помещичьем саду и считалась домовой. Приходская церковь располагалась в соседних Дятлицах.
Строительство каменного храма
Каменная церковь Святой Троицы была построена в 1755–1764 годах на территории усадьбы, которая к тому времени принадлежала Кириллу Разумовскому — генералу-фельдмаршалу и последнему гетману Войска Запорожского. Предположительно архитектором выступил А. В. Квасов.
Здание представляет собой произведение переходного периода: в сдержанном облике сочетаются приметы, предвосхищавшие классицизм (свободно стоящие портики с треугольными фронтонами, крупные арочные проёмы второго яруса без наличников, круглые в плане барабан и колокольня), и барочные элементы (закругления углов здания, обработанных рустованными лопатками, фигурные наличники окон первого яруса, люкарны в куполе колокольни).
Церковь была освящена в 1764 году. Однопрестольный храм получил форму креста. На кровле установили круглый купол и на нём главу с железным вызолоченным крестом. Над притвором — каменную восьмигранную колокольню, обшитую железом и увенчанную шпилем с крестом. Потолок в церкви был устроен сводами, опирающимися на шестигранные колонны. Иконостас — деревянный, царские врата — резные, вызолоченные.
При церкви находились два дома: каменный для священника и деревянный — для псаломщика и просвирни.
История в XIX — начале XX века
С 1870 года при церкви было открыто церковно-приходское попечительство. К 1883 году в приходе числилось 1098 прихожан мужского пола и 1191 прихожан женского пола. К церкви относились три школы: две в Гостилицах и одна в Мишелове.
В 1908 году в церкви решили провести ремонт и поднять полы в амвоне, для этого требовалось разобрать старый иконостас. Член императорского Русского археологического общества Владимир Суслов при своём участии остановил работы, признав иконостас «имеющим решительное художественное достоинство и гармонирующим с архитектурою всего храма».
Известно, что в этом храме любила молиться дочь Николая I великая княгиня Мария Николаевна, герцогиня Лейхтенбергская, президент Академии художеств.
Советский период и Великая Отечественная война
В 1939 году церковь закрыли. Всё хозяйство при храме было национализировано и приспособлено под нужды организованного на месте усадьбы совхоза «Красная Балтика». В доме священника разместилась совхозная администрация, а в храме был устроен овощной склад.
В сентябре 1941 года Гостилицы оказались в оккупации. В селе разместилась немецкая воинская часть, а храм сначала приспособили под конюшню, а позже — под офицерский клуб. В этот период исчез обладавший художественной ценностью иконостас. При освобождении Гостилиц в заминированной церкви обнаружили только голые стены.
После войны храм оставался в полуразрушенном состоянии вплоть до распада СССР.
Возрождение
В 1994 году здание вернули верующим. Богослужение возобновились в 1995 году. Позднее удалось восстановить внешний облик здания, внутреннее убранство, провести реконструкцию храма. Восстановлением занимался священник Викторин Кадников.
2 октября 2014 года епископ Гатчинский и Лужский Митрофан (Осяк) совершил чин великого освящения храма Святой Живоначальной Троицы в деревне Гостилицы и Божественную Литургию в новоосвящённом храме