Церковь во имя Троицы Живоначальной была возведена в 1598 году по приказу Бориса Годунова, который недавно стал московским царем, в селе Хорошеве, его вотчине. Дворец, стоявший рядом, позже был разобран, и Хорошевская церковь осталась единственной частью годуновского дворцового ансамбля. Название «Хорошево» связывают с красотой этих мест. В Смутное время, когда лагерь Лжедмитрия II находился в Тушине, его сторонники называли бывшую усадьбу Годунова «монастырь Нехорошево».

Церковь была построена по образцу Малого собора Донского монастыря, возведенного пятью годами ранее: почти кубической формы, с одной главой и горкой кокошников. Существует версия, что оба храма строил зодчий Федор Конь, который также создал стену Белого города в Москве и Смоленский кремль. Однако есть различия: в Донском соборе приделы появились позже, а в Хорошеве они были построены сразу, что связано с особым статусом церкви. Один придел был освящен в честь Бориса и Глеба, другой, во имя Феодора Стратилата, покровителей Бориса Годунова и его сына Федора.

Особое внимание привлекает горка кокошников, завершающая церковь. Ранее в их полукружиях находились круглые глазурованные блюда из турецкого города Изник, но теперь их остатки хранятся в музее, а на фасаде остались только выемки.

С течением времени облик храма изменялся. Сначала были расширены узкие окна, затем в середине XVII века вокруг четверика появилась крытая галерея на аркадах. В 1745 году вместо старой звонницы над западным входом построили новую трехъярусную колокольню. В 1845 году часть галереи была заменена, и была выстроена существующая трапезная. Различные части церкви XVI и XIX веков были объединены. Интерьеры также изменялись: первоначальный иконостас не сохранился, стены и своды были заново расписаны, резьба на порталах стесана, приделы расширены, их западные стены снесены. Однако основа древней церкви осталась почти неизменной.

Летом 1939 года богослужения прекратились, и в здании разместили детскую консультацию и колхозный клуб. В 1963-64 годах архитектор Б.Л. Альтшуллер провел детальное исследование и реставрацию храма, уточнив его датировку и архитектурные особенности. После этого в здании находился цех фабрики офсетной печати, затем салон «Цветные камни». В 1989 году в храме прошло первое богослужение, что положило начало постепенной передаче здания православной общине.