Село Голенищево, известное с 1406 года, вошло в историю России как резиденция святого Киприана, митрополита Московского и Киевского, в конце XIV, начале XV века. Однако церковь здесь впервые упоминается только в 1474 году под именем святого Иоанна Богослова. В XVII веке она уже значится как деревянный храм во имя Троицы Живоначальной, что привело к изменению названия села на Троицкое-Голенищево. К 1644 году была возведена каменная шатровая церковь, к которой позже добавили колокольню, трапезную и приделы в честь мученика Агапия и митрополита Ионы. Строительство велось под руководством Лариона Ушакова по проекту зодчего Антипы Константинова, известного созданием Теремного дворца в Кремле.

Церковь в Троицком-Голенищеве была построена в последние годы возведения шатровых храмов в России, так как в 1653 году патриарх Никон запретил такую архитектурную форму. Ближайшим аналогом Троицкого храма считается церковь Покрова в Медведкове. Центральный восьмигранный шатер окружен двумя меньшими шатрами над приделами; центральный шатер гладкий, а придельные украшены ложными окошками-слухами. Четверик основного объема завершается килевидными кокошниками, а с запада и юга его окружает галерея. В 1860 году шатровая колокольня была перестроена и перемещена на северо-запад, тогда же расширили трапезную.

Каменный Троицкий храм пережил два серьезных испытания. В 1812 году, во время Отечественной войны, французские войска устроили в нем конюшню, и затем здание пострадало от пожара, уничтожившего многие иконы. Второе испытание началось после 1939 года, когда храм закрыли по решению местных властей. Иконостас был использован Сергеем Эйзенштейном в фильме «Иван Грозный», и его дальнейшая судьба неизвестна. В здании разместили склад 3-й картонажной фабрики, позже оно перешло в ведение Гостелерадио СССР. Первое богослужение после долгого перерыва прошло на Рождество 1991 года. Вскоре здание передали общине верующих и отреставрировали.