Церковь Святой Троицы в Хохлах упоминается в исторических документах только с первой половины XVII столетия. Первые сведения о ней содержатся в Переписной книге 1638 года, где перечислены дворы причетников и некоторых обитателей прихода. Однакон, там не написано, деревянной или каменной была церковь тогда.
Каменным храм Троицы впервые назван в Строельной книге 1657 года. В 1670-е годы каменный храм был частично перестроен, о чём мы знаем из прошения его настоятеля Феодора Анфимова к царю Алексею Михайловичу. Он обращался за денежной помощью на строительные работы. 11 октября 1673 года царь распорядился выдать "на строение тоя Святыя церкви великого государя жалованья десять рублев из Устюжской чети".
Ружная книга 1681 года сообщает, что церковь имела приделы Сошествия Святого Духа на апостолов и преподобного Сергия Радонежского. Рядом с церковной землёй располагались дворы думного дворянина Авраама Никитича Лопухина и его сына, стольника Козьмы Авраамовича. Не будучи особенно родовитыми, Лопухины выдвинулись в царствование Алексея Михайловича. К ним благоволила царица Наталья Кирилловна, которая выбрала из рода Лопухины невесту для своего сына Петра I.
В самом конце XVII века Троицкая церковь была перестроена на средства одной из дочерей Авраама Лопухина, Евдокии.
Одним из храмоздателей Троицкого храма был, вероятно, дьяк Посольского приказа Емельян Игнатьевич Украинцев, каменные палаты которого располагались вблизи церкви.
Новый храм, кирпичный, с богатым резным белокаменным декором, представлял собой ярким образец "нарышкинского барокко". На двусветный четверик основного объёма был поставлен восьмерик, увенчанный кирпичной главкой на двух восьмериках.
Троицкая церковь, вjpvj;yj, соединялась с палатами Украинцева деревянным переходом, который позволял дьяку с домочадцами попадать в храм непосредственно из дома.
Это устройство было типично для московских приходских церквей XVII века - подобные переходы связывали надвратную Спасскую церковь Заиконоспасского монастыря с палатами Римских-Корсаковых и церковь святителя Тихона Амафунтского у Арбатских ворот с палатами Головкиных.
О существовании деревянного перехода мы знаем по документу эпохи Екатерины II, когда палаты принадлежали Голицыным. Но нельзя исключать, что соорудить переход могли ещё при прежнем владельце.
В XVIII веке к храму пристроили двухъярусную барочную колокольню, а убранство дополнилось необычным посеребрённым иконостасом с резьбой, изображающей спускающиеся к низу складки ткани.
Троицкая церковь сильно пострадала в городском пожаре 1737 года, но была обновлена. В первой половине XIX века её апсида была перестроена в стиле ампир, а фасады получили современное декоративное оформление.
Во второй половине XIX века в храме была частая смена причетников, которую современники объясняли бедностью и малоприходностью церкви: "... митрополит Филарет обратил такие убогие приходы, как церковь святой Троицы, как бы в исправительные колонии для тех членов своего клира, которые провинились в незначительных проступках - переводил их из сравнительно богатых приходов в бездоходные".
После Октябрьской революции храм был обезглавлен и закрыт, а в 1935 году в нём разместили лабораторию музея антропологии. Впоследствии храм занимали Институт Геофизики и подразделения института техоргнефтегазстроя. С 1970-х годов началась реставрация здания. К 1983 году его основной объём, наличники и крест были восстановлены.
В 1992 году здание отдали Русской православной церкви.
