Церковь Троицы Живоначальной была возведена на месте двух старых деревянных церквей, Троицкой и Богоявленской, благодаря финансированию стрелецкого и гайдуцкого полков, защищавших Новодвинскую крепость. Первоначально эти церкви находились в крепости на острове Бровенник в устье Северной Двины. В 1716 году, после перевода полков на берег Кузнечихи, деревянные церкви разобрали и перенесли на новое место.

Новый храм был двухэтажным: на верхнем этаже располагалась Троицкая церковь с приделом Иоанна Предтечи, а на нижнем, Богоявленская церковь с приделом Михаила Архангела. В 1761 году к храму добавили колокольню.

В 1810 году храм перешел из батальонного управления в епархиальное ведомство, хотя большинство прихожан оставались военными. Здесь хранились четыре полковых знамени эпохи Петра I и проводились военные церемонии Архангельского гарнизона.

В советское время церковь была разграблена, купол и колокольня частично разрушены, а в здании поочередно размещались школа шоферов, рабочее общежитие, мыловаренный и камнерезный заводы. Последний настоятель, протоиерей Николай Данилович Родимов, был расстрелян в 1938 году и канонизирован в 2006 году как новомученик и исповедник Российский.

В 1992 году храм вернули Архангельской епархии, а в 1995 году там прошло первое богослужение. При храме активно работает социально-благотворительная служба, и продолжается реставрация здания.