Holzhausen wurde wie die Nachbarorte Haarhausen und Bittstädt  zu Beginn des 9. Jahrhundert in einem Verzeichnis der von Erzbischof Lullus († 786) von Mainz für das Klosters Hersfeld von Freien verliehenen Gütern erstmals urkundlich erwähnt. 1441 gelangte der Ort zusammen mit der Wachsenburg unter die Herrschaft von Apel von Vitzthum dem Jüngeren, der als Brandmeister Thüringens traurige Berühmtheit erlangte. 1447 wurde das Dorf, zu dieser Zeit „Holtzhuszen“ genannt, von Truppen des sächsischen Kurfürsten Friedrich II. geplündert und verbrannt, anschließend aber wieder aufgebaut.
Wie viele Dörfer in Deutschland war auch Holzhausen stark vom Dreißigjährigen Krieg betroffen. Nach Kriegsende 1648 setzte eine rege Bautätigkeit ein. Viele Häuser des alten Ortskerns stammen aus dieser Zeit.

Die Dreifaltigkeitskirche (vor der Reformation St.-Wigbert-Kirche) wurde um 1480 errichtet. Im 16. und 17.Jahrhundert wurde die Kirche um Kriegseinwirkungen auszumerzen und dem Zeitgeschmack und anderen Erfordernissen anzupassen mehrfach umgebaut. In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurde sie im Stil des Rokoko umgebaut. Dabei wurden 1798 die noch heute existierende Orgel sowie die Emporen eingebaut. Sie liefen in zwei Geschossen hinten um die Kanzel herum. Ebenfalls aus dem 18. Jahrhundert stammt der Kanzelaltar. Ihn krönt das Symbol der heiligen Dreifaltigkeit.
Der Turm wurde 1818 aufgestockt, mit einer Haube versehen und hat heute eine Höhe von 39 m. Die Kirchhofsmauer weist Zeichen einstiger Wehrhaftigkeit auf. Hier stehen viele schmiedeeiserne Grabkreuze aus dem 17. und 18. Jahrhundert, zum Teil noch an ursprünglicher Stelle, aber auch an Sammelstellen. Neben den Grabkreuzen findet man mehrere Grabmale aus der Empirezeit. Im Inneren der Kirche sind an der Nord- und Südseite Grabplatten von 1566 und 1572 angebracht, die für zwei Damen von der Wachsenburg stehen sollen.
Mit dem unentgeltlichen Einsatz vieler Bürger und mit der Unterstützung durch großzügige Sponsoren konnte der Turm 1974 eingerüstet, das Kirchendach 1975 neu gedeckt und die aufgetretenen Schäden beseitigt werden. Zu Pfingsten 1977 konnte die Kirche wieder in Besitz genommen werden.