На месте нынешней Троицкой церкви когда-то стояла деревянная церковь, посвящённая Николаю Чудотворцу, которая, по преданию, существовала ещё во времена татаро-монгольского нашествия. В память о ней Троицкую церковь Норского посада часто называли Никольской. Каменная церковь во имя Живоначальной Троицы была построена в 1745 году на средства прихожан и при активном участии Ивана Афанасьева Асарова. В трапезной храма находились два придела: Владимирской Богоматери и тёплый придел Ильи Пророка.

В 1840 году храм подвергся капитальной перестройке, а в 1896 году его значительно расширили и сделали полностью тёплым. Николай Константинович Прохоров, владелец Норской мануфактуры, вложил 17 000 рублей в установку отопления. После реконструкции Ильинский придел был освящён во имя Ильи Пророка и Николая Чудотворца. Особым почитанием пользовалась икона Николая Чудотворца. Ранее к храму была приписана деревянная церковь Успения Богоматери в сельце Анциферове, построенная в 1800 году.

К Троицкой церкви относилась также часовня при мануфактуре. По воскресеньям и церковным праздникам её колокольный звон был слышен далеко вокруг, привлекая людей из окрестных деревень. В храме служили выдающиеся священники, среди которых были Александр Иванович Смирнов и его сын Дмитрий Александрович. Отец Дмитрий в 2002 году был канонизирован Русской Православной Церковью, так как в советское время его четыре раза арестовывали, и он умер в тюрьме в 1940 году.

В 1930-е годы церковь закрыли, и её помещение использовали как фабрику. Храм был обезглавлен, фрески закрашены, и вокруг царило запустение. В 1995 году Троицкую церковь, лишённую глав и крестов, с разрушенной колокольней передали Русской Православной Церкви. Уже 28 августа священник Михаил Михайлович Перегудов провёл там первую службу. За прошедшие годы церковь преобразилась: установлены кресты на новом пятиглавии, восстановлена колокольня, а колокола отлиты на заводе Николая Шувалова. В 2005-2006 годах проводилась реставрация сохранившихся росписей на сводах четверика и завершены работы по восстановлению Никольского придела в северной части трапезной.

К храму приписана часовня, созданная в конце XX века на улице Урицкого.