Церковь во имя Пресвятой Троицы расположена в центре Троицкой улицы в древнем кремле Владимира, в его северной части. Точная дата основания этой церкви неизвестна, но она уже существовала в начале XVII века. В описной книге Владимирского кремля 1625 года упоминается «храм Троицы Живоначальной и храм теплый преподобного Сергия, деревянные, с церковным строением, царскими дверями, деисусами, образами, книгами, свечами, колоколами и прочим церковным имуществом».

В 1719 году, 1 октября, во Владимире произошел пожар, в результате которого Троицкая церковь и теплая Сергиевская церковь сгорели. В следующем году теплая церковь была восстановлена, а строительство холодной церкви, вероятно из-за нехватки средств, было отложено на неопределенное время.

К 1740 году была построена каменная церковь, а теплый придел при ней появился в 1746 году. Данных о времени строительства каменной колокольни нет. В церкви два престола: в холодной части во имя Живоначальной Троицы, а в приделе во имя преподобного Сергия. Среди икон выделяются Толгская икона Божией Матери и икона преподобных Сергия и Алексия, написанные в древние времена.

Церковные документы сохранились в целости, включая копии метрических книг с 1817 года и исповедные росписи с 1849 года. Земли и церковных домов для причта нет. По штату положены священник и псаломщик. Причт получает содержание из процентов с капитала в 6182 рубля, а также доходы от служб и треб, всего около 1000 рублей в год. В приходе по клировым ведомостям числится 208 мужчин и 300 женщин, все православные, проживающие в городе.