Построена в 1677—83 (крепостной зодчий П. С. Потехин) на средства и в усадьбе князя М. Я. Черкасского рядом с одноименным деревянным храмом 1625—27. Внутренняя отделка завершена в 1692. В 1683 освящен в верхнем храме северный придел Тихвинской иконы Божией Матери, в 1691 — южный — преподобного Александра Свирского (под престолом сохранился деревянный крест с надписью об этом событии), в июне 1692 — главный престол верхнего храма Живоначальной Троицы. Нижний храм — однопрестольный — святителя Николая Чудотворца. Стены расписаны крепостным владельца Останкина Н. Д. Шереметева И. С. Подклюшниковым в 1840 (подновлялись в 1854, 1856, 1867 и 1881).

В 1877—80 капитально отреставрирован на средства А. Д. Шереметева (арх. А. К. Серебряков и Н. В. Султанов). Пристроена колокольня с шатровым завершением (первоначальная — первая четв. XVII в. — шатровая в 1739—54 была заменена в стиле барокко). Покрыто шатром юж. крыльцо. Обновлен центральный резной девятиярусный иконостас (создан до 1692, в 1856 возобновлен под наблюдением арх. М. Д. Быковского).

Бесстолпный, пятикупольный. На высоком подклете. Завершён крупными луковичными главами на тонких вытянутых барабанах, к которым подходят яруса кокошников. Декоративные арх. детали из кирпича, белокаменной резьбы, поливных изразцов.

В стиле «русское узорочье» XVII в. На колокольне сохранился большой колокол. Стенопись нижнего, местного яруса — «Изображение истинного христианина» с горящим сердцем, свитком и розой и «Богатого юноши», со скорбью отходящего от Иисуса Христа. На хорах западной стены — холст с ветхозаветными сценами (вторая пол. XVII в.).

В главном иконостасе 9 ярусов (с венчающим Распятием — 10). Нижний ярус — эллинские мудрецы (Орфей, Истоик, Фулидос и Аполлон) с провозвестительными изречениями о Христе на свитках в руках, два верхних — 16 изображений «Страстей Христовых» (кон. XVII в.) сделаны с лицевых Библий Пискатора и Вейгеля, а также Рубенса и Тициана. Из упраздненного и разобранного каменного храма Покрова в соседнем селе Ерденеве в главный престол перенесено деревянное резное «Оплакивание Христа» (пиета). Иконы верхних ярусов иконостаса придела преподобного Александра Свирского — XIX в., Тихвинского — со «Страстями Христовыми» — 1830-е, настенная роспись паперти — 1880-е.

В 1922 властями изъято свыше 4 пудов серебряных церковных украшений и утвари. После закрытия (1935) храм был передан в ведение музея «Останкино», в нем находились его служебные помещения, выставочный зал. Церковь реставрировалась. 23.111.1991 главный престол был освящен Святейшим Патриархом Алексием II.

Святыни — храмовая икона Ветхозаветной Троицы (1654), Черниговская икона Божией Матери.

При храме — воскресная школа, окормляется Мытищинская школа-интернат, организуются паломнические поездки в Оптину пустынь и по другим святым местам. К храму приписана строящаяся часовня Успения Пресвятой Богородицы на Останкинском кладбище.