В 1860 году, после подписания Пекинского трактата, Россия получила право открыть консульство в столице Внешней Монголии, Урге. В 1863 году в Ургу прибыл персонал консульства с конвоем из 20 казаков. Они построили здание консульства и православную церковь в честь Святой Троицы. Первое богослужение в ней провёл забайкальский священник Иоанн Никольский 22 марта 1864 года, что считается днем рождения Троицкого прихода.

Долгое время храм не имел постоянного настоятеля, и богослужения проводили священники из Забайкальской и Китайской Духовных Миссий, а также Иркутской епархии. 4 сентября 1893 года синод назначил настоятелем консульской церкви Николая Шастина, бывшего миссионера Забайкальской Духовной Миссии. Он служил до 1914 года, после чего настоятелем стал иркутский священник Феодор Парняков.

В апреле 1920 года старостой церкви стал эмигрировавший из России полковник М. Г. Торновский. После его ареста китайскими властями в ноябре 1920 года, связанного с неудачной попыткой штурма города Азиатской дивизией Унгерн-Штернберга, Троицкая церковь была разграблена гоминьдановцами, кроме икон. После захвата города Унгерном в феврале 1921 года Феодор Парняков был убит после допроса по подозрению в связях с большевиками.

Сын первого настоятеля храма, П. Н. Шастин, приехавший в Ургу в 1923 году после Монгольской революции, стал заметным деятелем здравоохранения в МНР, а его дочь Н. П. Шастина, известным монголоведом и переводчиком. С 1927 года храм был закрыт для религиозного использования и использовался для других целей, позже став магазином.

С 1996 года в Улан-Батор начали приезжать священники Русской православной церкви. Возрождающаяся православная община обслуживалась Читинской епархией. 19 января 1998 года в Улан-Батор прибыл протоиерей Анатолий Фесечко, новый настоятель Свято-Троицкого прихода. 29 декабря 1997 года российская компания ОАО «Внешинторг» передала здание на территории своего торгового представительства, расположенное напротив старого храма, в пользование Русской православной церкви.

8 июля 2001 года митрополит Кирилл (Гундяев) освятил закладной камень нового Храма в честь Святой Троицы. В 2005 году настоятелем прихода стал священник Алексей Трубач, который в сентябре 2006 года обсуждал с президентом страны Намбарыном Энхбаяром вопрос разрешения на строительство полноценного православного храма в столице.

21 июня 2009 года, в Неделю всех святых, в земле Российской просиявших, восстановленный храм был освящён епископом Егорьевским Марком (Головковым), секретарём Московской патриархии по зарубежным учреждениям. При входе в храм находятся иконописные изображения Александра Невского, Дмитрия Донского, Сергия Радонежского, русских святых, связанных с историей русско-монгольских отношений, а также первого монгольского святого Петра Ордынского.