Томская Свято-Троицкая церковь основана в 1836 году по благословению Епископа Томского и Енисейского Агапита (Вознесенского). Церковь являлась первым единоверческим храмом Сибири. Основу первого прихода Троицкой единоверческой церкви составляли перешедшие в единоверие "кержаки" - старообрядцы, населявшие в XVIII-XIX веках "раскольничью слободку" в устье реки Ушайки.
Проект Троицкой единоверческой церкви составил томский губернский архитектор К.Г. Турский. Видным жертвователем постройки церкви являлся томский мещанин Петр Поздеев.
В 1844 году основной храм был построен и освящен Епископом Томским и Енисейским Афанасием (Соколовым). В 1852 году и в 1888 году соответственно построены и освящены северный придел во имя Священномученика Харлампия Епископа Магнезийского и южный во имя Св. великомученика Дмитрия Солунского.

В 1936 1937 годах настоятелем церкви служил новомученик российский иеромонах Николай (в миру - князь А. Ширинский-Шахматов). В это же время в церкви, наряду с единоверческим приходом размещалась кафедра новомученика российского Епископа Томского Серафима (Шамшина). В 1934 - 1937 годах прихожанином церкви являлся новомученик Российский русский крестьянский поэт Николай Клюев.

Церковь была закрыта большевиками в 1939 году и вновь открыта как православная церковь 15 февраля 1946 года. Видное участие в возрождении церкви приняла Томская Новодевичья домовая монашеская община во главе с игуменьей Варварой.

В конце 50-х - начале 60-х годов настоятелем церкви служил священник князь Константин Шаховской - основатель и руководитель кружка Православной молодежи г. Томска.