Постр. в 1696—1702 на месте сгоревшего в 1691 деревянного храма Св. Троицы с приделом преп. Пимена (coop. при переселении в 1658 из Старого в Новое Сущево воротников — привратников, охранявших въездные ворота в город). В 1702 пристр. однобокая трапезная и колокольня. Главный престол — Живоначальной Троицы, правый, юж. придел — преп. Пимена Великого.

В 1760—70-х значительно расширена трапезная. В 1796— 1807 постр. сев. придел Владимирской иконы Божией Матери, в 1825 — ограда. Вместо колокольни XVII в. Coop. новая. В 1881—83 расширен, боковые приделы удлинены на восток, в одну линию с главным (отодвинут на восток на 2—2,5 м).

В 1892—93 трапезная расширена на зап., и колокольня с трех сторон оказалась внутри храма. К ней пристр. шатровый вход с тремя главками. Обновлялся в 1897—1907. Проект внутреннего переоформления составлен в 1897 арх. Ф.О.Шехтелем (роспись — по образцу росписей В.М.Васнецова в киевском Владимирском соборе; 18 больших картин и 120 отдельных изображений святых. Резьба мраморного двухъярусного иконостаса (1907; И.А.Орлов по рис. Ф.О.Шехтеля) воспроизводит древнехристианские орнаменты и символику катакомб, в к-рых скрывались первые христиане (пальмовые ветки и виноградные лозы с гроздьями, монограммы Сущего — Альфа и Омега). Солея выложена плитами белого мрамора.

В стиле барокко. Длина здания храма — 45 м, ширина — ок. 27 м, вмещает до 4 тыс. прихожан. Четырехугольник с восьмигранным ярусом, одноглавая. Колокольня — трехъярусная.

Не закрывался. В 1922 из храма властями изъято св. 12 пудов золотых и серебряных церковных украшений и утвари. В 1928—29 молодежным хором в храме руководил регент монах Платон (впоследствии Патриарх Пимен). В 1936 захвачен обновленцами, перебравшимися из храма Спаса на Большой Спасской. Их лидер А.И.Введенский после возвращения в 1944 из эвакуации имел здесь свой последний и единственный собор вплоть до смерти 26.VII.1946.

В октябре 1946 возвращен Московской Патриархии.

Святыни - храмовый образ Св. Троицы (справа от царских врат, послепетровское время), особо чтимые — Казанская икона Божией Матери (кон. XVII в.), Тихвинская икона Божией Матери (1695, царский изограф Ф.Феофанов), в иконостасе левого, сев. придела — Тихвинская икона Божией Матери (XVIII в.) и Спас Великий Архиерей (нач. XVTII в.). Храмовый образ левого придела — Владимирская икона Божией Матери (сер. XVIII в.), «Пименовский» образ Божией Матери (нач. XX в., повторяет по композиции икону «Нечаянная Радость»), свт. Николая Чудотворца (XVIII в.). В иконостасе правого, юж. придела — икона Спасителя (вторая пол. XVII — нач. XVIII в.), «Благовещение» (XVIII в.), особо чтимый образ Пимена Великого (сер. XVIII в.). Напротив (перед решеткой солеи), в выполненном под мрамор киоте — написанная на стекле Казанская икона Божией Матери.

При храме — воскресная школа для детей и взрослых, библиотека.