Троицкая церковь находится почти в центре современного города на пересечении улиц Фрунзе и Карла Маркса, которые до революции назывались Спасо-Троицкой и Крестецкой. Она расположена недалеко от правого берега реки Порусьи. Церковь была построена в XVII веке, хотя на этом месте ранее стоял деревянный храм, упоминания о котором не сохранились в письменных источниках. По данным авторов XIX века, в 1680 году, в царствование Феодора Алексеевича и с благословения митрополита Корнилия, на месте старой церкви была возведена новая каменная церковь во имя Святой Троицы. Финансировал строительство старорусский купец Яков Тверев, а освящение состоялось 13 декабря 1684 года тем же митрополитом Корнилием.

В 1759 году пожар повредил Троицкую церковь и уничтожил деревянный храм Иоанна Златоуста, стоявший рядом. В 1836 году сильная буря сорвала главу с одного из барабанов церкви и повредила другой, что привело к трещинам в сводах. Несколько лет храм оставался в таком состоянии, пока в 1853 году не было получено разрешение на его ремонт с сохранением древнего архитектурного стиля. Работы продолжались до 1860 года под руководством Константина Андреевича Тона и сопровождались значительными перестройками. После этого кардинальных изменений не проводилось, и церковь оставалась в таком виде до Великой Отечественной войны. В 1932 году храм еще действовал, но позже был закрыт и передан горисполкому, вероятно, в 1937 году. Колокольня была разрушена до войны, а в документе 1931 года упоминается, что она разбиралась из-за невозможности использования для культурных нужд.

Во время войны и в послевоенные годы церковь сильно пострадала. В советское время планировалось создать здесь читальный зал и шахматный клуб, но эти идеи не были реализованы. В 1980-х годах в проекте зон охраны памятников Старой Руссы предлагалось использовать церковь как выставочный зал или зал органной музыки и пения. В 1996 году храм был возвращен епархии.

К приходу относятся две часовни: в честь Святителя Николая на вокзале и Архистратига Михаила в центральной районной больнице.

В настоящее время в церкви нет полноценного иконостаса, вместо него установлена алтарная преграда с царскими вратами, а иконы размещены прямо на стенах. Стены и своды покрыты простой побелкой вместо росписей. Однако храм выделяется своей особенностью: по периметру стен расположены шестнадцать ниш, арксолиев, которые были обнаружены при реставрации в 1960-х годах. Сейчас в них стоят вазы с цветами. Также в храме замечательная акустика, которая, по словам прихожан, усиливает и приумножает звук молитв и церковного пения.