Местность, где располагалось Троицкое подворье, изначально принадлежала соседнему селу Напрудному. Позднее здесь обосновались переяславские ямщики, а в начале XVII века земля была передана Троице-Сергиеву монастырю, что привело к образованию Троицкой чёрной слободы. В этой слободе около 1631 года была построена деревянная церковь во имя Святой Троицы с приделом святых Сергия и Никона Радонежских, что объяснялось связью с монастырём. После нескольких деревянных церквей, сменявших друг друга, в 1696 году был возведён каменный храм. Однако и он был перестроен после обрушения главы в 1726 году, в результате чего церковь приобрела элементы архитектурных стилей разных эпох.

Трапезная и основной четверик церкви украшены окнами с наличниками в стиле нарышкинского барокко, с завитками и гребнями. Восьмерик, венчающий главный храм, был построен позже, после обрушения главы, и выполнен в европейском барокко: наличники окон украшены рокайлями, что придаёт им ещё большую пышность. Восьмигранный верх колокольни увенчан высоким шпилем. В дальнейшем облик церкви практически не изменялся, за исключением расширения трапезной в 1851 году для создания придела Владимирской иконы Божией Матери.

В XIX и начале XX века на Троицком подворье находилась резиденция архиереев Московской епархии. С 1917 по 1922 год здесь проживал патриарх Тихон, но после его ареста территория была передана "обновленцам". Однако они служили здесь недолго: в конце 1920-х годов Троицкая церковь была закрыта. В здании размещались различные конторы, а затем монтажное управление. С конца 1970-х годов церковь стала видна с Олимпийского проспекта после сноса большей части исторической Троицкой слободы с её деревянными домами. Позже храм использовал Московский симфонический оркестр. Несмотря на смену пользователей, облик церкви в целом сохранился, в интерьерах осталась богатая барочная отделка, лепные картуши и клейма для икон. С 1993 года территория постепенно передавалась церковной общине, и позже при храме было воссоздано подворье Троице-Сергиевой лавры.