Die Dreifaltigkeitskirche befindet sich fast im Zentrum der modernen Stadt an der Kreuzung der Straßen Frunse und Karl Marx, die vor der Revolution Spaso-Dreifaltigkeits- und Krestetskaja hießen. Sie liegt nicht weit vom rechten Ufer des Flusses Porusja entfernt. Die Kirche wurde im 17. Jahrhundert erbaut, obwohl an dieser Stelle zuvor ein hölzerner Tempel stand, über den keine schriftlichen Quellen erhalten geblieben sind. Laut den Autoren des 19. Jahrhunderts wurde 1680, zur Zeit von Feodor Alexejewitsch und mit dem Segen von Metropolit Kornilius, anstelle der alten Kirche eine neue steinerne Kirche im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit errichtet. Der Bau wurde vom alten russischen Kaufmann Jakov Tverev finanziert, und die Weihe fand am 13. Dezember 1684 durch denselben Metropoliten Kornilius statt.

Im Jahr 1759 beschädigte ein Feuer die Dreifaltigkeitskirche und zerstörte die daneben stehende hölzerne Kirche des Johannes Chrysostomus. 1836 riss ein starker Sturm die Kuppel von einer der Tambouren der Kirche und beschädigte eine andere, was zu Rissen in den Gewölben führte. Einige Jahre blieb der Tempel in diesem Zustand, bis 1853 die Genehmigung für eine Reparatur unter Beibehaltung des alten architektonischen Stils erteilt wurde. Die Arbeiten dauerten bis 1860 unter der Leitung von Konstantin Andrejewitsch Ton und waren mit erheblichen Umbauten verbunden. Danach wurden keine grundlegenden Änderungen mehr vorgenommen, und die Kirche blieb bis zum Großen Vaterländischen Krieg in diesem Zustand. 1932 war der Tempel noch aktiv, wurde aber später geschlossen und wahrscheinlich 1937 dem Stadtkomitee übergeben. Der Glockenturm wurde vor dem Krieg zerstört, und in einem Dokument von 1931 wird erwähnt, dass er wegen Unbrauchbarkeit für kulturelle Zwecke abgerissen wurde.

Während des Krieges und in den Nachkriegsjahren wurde die Kirche stark beschädigt. In der Sowjetzeit war geplant, hier einen Lesesaal und einen Schachclub zu schaffen, aber diese Ideen wurden nicht verwirklicht. In den 1980er Jahren wurde im Projekt für die Schutzzonen der Denkmäler von Staraja Russa vorgeschlagen, die Kirche als Ausstellungsraum oder für Orgelmusik und Gesang zu nutzen. 1996 wurde der Tempel an die Diözese zurückgegeben.

Zur Gemeinde gehören zwei Kapellen: zu Ehren des Heiligen Nikolaus am Bahnhof und des Erzengels Michael im zentralen Bezirkskrankenhaus.

Derzeit gibt es in der Kirche keinen vollständigen Ikonostase; stattdessen ist eine Altartrennwand mit königlichen Toren installiert, und die Ikonen sind direkt an den Wänden angebracht. Die Wände und Gewölbe sind mit einfacher Kalkfarbe anstelle von Fresken bedeckt. Die Kirche zeichnet sich jedoch durch ihre Besonderheit aus: entlang des Wandumfangs befinden sich sechzehn Nischen, Arksoleien, die bei der Restaurierung in den 1960er Jahren entdeckt wurden. Jetzt stehen dort Vasen mit Blumen. Auch die Akustik in der Kirche ist bemerkenswert, die, so sagen die Gemeindemitglieder, den Klang der Gebete und des Kirchenliedes verstärkt und bereichert.