Деревянная церковь Святой Троицы на Воробьёвых горах впервые упоминается в документах XV века, в завещании княгини Софьи Витовтовны, супруги Василия I и матери Василия II, которая владела селом Воробьёво. До начала XIX века рядом находился Воробьёвский дворец, служивший летней резиденцией для московских князей, царей и императоров. Деревянный храм неоднократно перестраивался, пока в начале XIX века не началось строительство каменной церкви, завершённое в 1811 году.

Троицкая церковь на Воробьёвых горах сыграла роль в событиях Отечественной войны 1812 года. Перед важным советом в Филях М.И. Кутузов посетил Воробьёво и молился в местной церкви.

Интересно, что соседнее село Голенищево, расположенное в районе нынешней Мосфильмовской улицы, принадлежало Киевским и Московским митрополитам. Здесь митрополит Иона исцелил боярина Василия Кутузова, что отражено на одной из икон в местной церкви, также освящённой в честь Святой Троицы. Это событие связано с двойной фамилией Михаила Илларионовича, Голенищев-Кутузов.

По преданию, Наполеон, отступая, любовался видом Москвы с Воробьёвых гор. Во время французской оккупации Москвы Троицкая церковь не пострадала: её не ограбили и не сожгли, и убранство осталось нетронутым. В 1813 и 1814 годах были освящены приделы храма, которые не успели завершить до войны.

Церковь Святой Троицы на Воробьёвых горах избежала разрушений и в XX веке. Советская власть её не тронула, хотя в 1917 году рядом находилась точка большевиков, обстреливавшая Кремль. Храм не закрыли даже в годы борьбы с религией и при строительстве нового корпуса МГУ. Здесь продолжался колокольный звон, что было редкостью в советское время. Сохранились редкие иконы XVII и XIX веков. Сегодня храм выглядит почти так же, как во времена, когда в нём молился Кутузов.