L'église a été construite entre 1841 et 1844 selon le projet de l'architecte provincial Karl Tursky et consacrée par l'évêque de Tomsk et d'Enisey, Athanase. Les fonds pour la construction ont été fournis par la communauté unie de Tomsk, et le principal donateur et bienfaiteur était le vieux-croyant P. I. Pozdeev.

Plus tard, deux chapelles ont été ajoutées à l'église : la chapelle nord en l'honneur du saint martyr Charalampe de Magnésie et la chapelle sud en l'honneur du grand martyr Dimitri de Thessalonique. Deux écoles de niveau élémentaire ont fonctionné près de l'église : l'école masculine de la Résurrection et l'école féminine. Au début du XXe siècle, le marchand N. Tikhonov a créé un jardin autour de l'église.

En août 1937, l'évêque Séraphim (Shamshin) a été arrêté et fusillé le 17 septembre. Les bolcheviks ont organisé un saccage dans l'église, détruisant des icônes, des livres et des archives. L'église a effectivement cessé de fonctionner le 27 septembre 1937 sur décision du conseil municipal de Tomsk, et un ordre officiel de fermeture a été émis le 8 février 1940. À ce moment-là, toutes les églises du diocèse de Tomsk avaient été fermées, et celui-ci avait cessé d'exister. Déjà en 1938, aucune des 41 maisons de prière de la ville ne fonctionnait.

Un entrepôt de Zagotzerno a été installé dans l'église de la Sainte-Trinité, puis le bureau de la colonne automobile « Sibkhoztrasa ». Les objets liturgiques ont été transférés à un fonds d'État ou jetés, et les livres et icônes ont été brûlés. Le bâtiment a été endommagé : les croix ont été démolies, les murs de la chapelle sud sont à moitié détruits, les portes, les planchers et les cadres de fenêtres ont été arrachés.

Après la guerre, en 1945, l'église de la Trinité a été autorisée à rouvrir. Elle a pu être restaurée grâce aux fonds populaires. Un iconostase du XVIIIe siècle a été amené de l'église du village de Zorkaltsevo. La croix restaurée sur le clocher a été décorée de miroirs au lieu d'or, qui sont encore préservés aujourd'hui. Le 15 février 1946, l'église a été à nouveau consacrée selon le rite orthodoxe et a cessé d'être unie.

Jusqu'au début des années 1990, la cathédrale de Pierre et Paul et l'église de la Sainte-Trinité sont restées les seules églises orthodoxes en activité à Tomsk.

Aujourd'hui, une école du dimanche et une bibliothèque fonctionnent à l'église. Sur son territoire se trouve un monument funéraire du célèbre entrepreneur et mécène tomskien E. I. Korolev.