Троицкая церковь в Касимове впервые упоминается в писцовых книгах князя Петра Воейкова в 1627 году. Это была деревянная постройка с приделом в честь Николая Чудотворца, в которой хранилось множество древних икон. Эти иконы были богато украшены, но ценились в первую очередь за свои чудотворные свойства. 27 сентября 1751 года было получено разрешение на строительство нового храма взамен старого, с приделами Сериевским и Никольским. Уже 18 декабря 1752 года известный купец Иван Степанов просил освятить приделы в новопостроенной церкви.

На паперти Троицкого храма есть надпись, указывающая, что строительство началось 11 мая 1753 года, а освящение состоялось 6 мая 1763 года. Второй придел Преподобного Сергия был освящен 7 мая того же года, а сам храм Святой Троицы, 10 сентября 1765 года. Надпись также сообщает, что храм был построен стараниями купцов Александра Григорьевича Полежаева и Никиты Семеновича Вереина при поддержке прихожан. Важно отметить, что в городе купцы активно участвовали в строительстве православных храмов, а прихожане всех сословий жертвовали средства на их украшение. В 1772 году была возведена каменная колокольня, во втором ярусе которой находилась церковь в честь Божией Матери Одигитрии Смоленской. Богослужение в ней проводилось только раз в год, 28 июня. Среди древних памятников церкви выделялось Евангелие 1644 года, которое, как и многие другие ценности, было изъято в 1922 году. В день Святого Духа к храму устраивался крестный ход из собора. Церковь неоднократно благоустраивалась и украшалась за счет прихожан. В ней было четыре престола: главный в честь Святой Троицы, правый придел в честь святителя Николая Чудотворца, левый в честь преподобного Сергия Радонежского и в среднем ярусе колокольни, в честь Смоленской иконы Божией Матери. Церковь была закрыта 29 сентября 1938 года, а в 1954 году передана в аренду ОРСу Касимовского карьероуправления по решению горисполкома.

Богослужения в храме возобновились с 15 сентября 2002 года после его обновления. Приделы восстанавливаются в честь иконы Божией Матери «Одигитрия-Смоленская», святителя Николая Чудотворца и преподобного Сергия Радонежского.

В храме хранятся мощи исповедника Сергия Касимовского, день памяти которого отмечается торжественным богослужением, являющимся храмовым праздником.