Свято-Троицкий храм был построен и освящён в 1733 году на средства прихожан, используя старые фундаменты Христорождественского собора, возведённого в 1658 году. Церковь, посвящённая Живоначальной Троице, была освящена как однопрестольная и холодная. В 1825 году к церкви добавили тёплую трапезную с Благовещенским приделом с южной стороны, поскольку в этом же году была разобрана одноимённая церковь, стоявшая рядом. В 1827 году построили трёхъярусную колокольню, а храм обнесли каменной оградой с железной решёткой. 28 ноября 1893 года в трапезной с северной стороны освятили придел в честь иконы Божией Матери Одигитрии. До постройки Смоленского собора в 1872 году Троицкий храм считался городским собором.

До революции на колокольне Троицкой церкви было семь колоколов: Большой весом 108 пудов, Полиелейный в 50 пудов, Часовой в 10 пудов, Будничный и два Зазвонных, весом 3 и 1 пуд соответственно. Большой колокол имел надпись о его изготовлении в Казани на заводе Луки Степанова Рукавишникова. Средний колокол был отлит в 1869 году на заводе братьев Гудковых и имел надпись: “Благовествуй, земле радость велию, хвалите небеса Божию Славу”. Один из приделов, освящённый в наши дни, посвящён иконе Божией Матери “Страстная”. В храме хранился чудотворный список этой иконы. С 4 по 18 июля ежегодно проводился крестный ход в село Палец Нижегородской губернии с этой иконой в память избавления от чумы в царствование Алексея Михайловича. В храме также находилась икона Божией Матери “Троеручицы”, списанная с чудотворного образа из Хиландарского монастыря на Афоне, подаренная патриарху Никону в 1664 году и затем перенесённая в Козьмодемьянск.

С 1884 года при храме работала церковно-приходская школа для 50 мальчиков. В приходе числилось 125 домов, из которых 87 были мещанскими и 35 крестьянскими, с населением 318 мужчин и 357 женщин. После Октябрьской революции здание церкви было передано общине верующих по договору с Козьмодемьянским городским советом. Однако 27 сентября 1938 года церковь была закрыта. Протоиерея Валериана Новикова арестовали 19 декабря 1937 года и приговорили к 10 годам лагерей. После закрытия храм пустовал. С 1941 по 1945 год в нём размещался детский дом для детей из осаждённой Москвы, позже здесь жили дети-сироты. Затем в здании разместили библиотеку, конный двор коммунального хозяйства и коммунальные квартиры.

В конце 1930-х годов были снесены пятиглавие, разобраны трёхчастная апсида и два яруса колокольни. Обрушилось сводчатое перекрытие, а над трапезной поставили семистенный сруб. Утрачен южный портал и часть северного. Иконостас был демонтирован, колокола сброшены, внутреннее пространство перепрофилировано, стены и своды выкрашены в белый цвет. В 1989 году храм передали РПЦ.

В 1990 году на средства церковной общины был восстановлен алтарь из силикатного кирпича. В ходе ремонтно-восстановительных работ разобрано межэтажное перекрытие, восстановлено пятиглавие. В 1992-1993 годах специалисты Козьмодемьянского реставрационного участка восстановили колокольню и заказали новый иконостас. При последней реставрации была восстановлена трапезная.

Архитектура храма заслуживает внимания. При его строительстве использовался большемерный кирпич, а при возведении трапезной и колокольни, стандартный. Фундаменты бутовые. Двухстолпная трапезная перекрыта пятью лотковыми сводами. Храмовый четверик перекрыт двумя лотковыми сводами, опирающимися на три поперечные подпружные арки с двумя опорными столбами. Проёмы арочные с архивольтами и веерными замками. Алтарь перекрыт конхой в два кирпича и имеет три арочных проёма и печуры. На углах четвериков расположены полуколонны с базой и небольшой капителью. В первом ярусе, пилястры. Между ярусами проходит небольшой карниз. Основной куб храма украшен каменным пояском в виде гирек, венчает ряд декоративных закомар. Центральный барабан световой, остальные глухие. Гранёные главы, крытые железом из нитрид титана, венчают ажурные кресты. Купола с рисунком из железа и кресты впечатляют при близком рассмотрении.

Сегодня объект культурного наследия “Церковь Пресвятой Троицы” является действующим храмом. На его территории находятся деревянные и кирпичные постройки конца ХХ века. Привлекает внимание смотровая площадка в виде часовни с мозаикой святых Космы и Дамиана.