Церковь Троицы, расположенная в Хохловском переулке, в народе была известна как Троицкая в Хохлах, на Хохловке, и даже как Троицкая в Старых садех. Хохловкой эта местность называлась из-за того, что в середине XVII века здесь селились днепропетровские казаки и находилось подворье гетмана Мазепы. Старыми же садами местность называлась из-за садов, посаженных по приказу князя Василия Первого рядом с его дворцом.
Первые упоминания об этом храме датируются 1610 годом. В середине того же столетия церковь упоминалась в Строельной книге уже как каменная, а среди ее прихожан значились представители известных московских фамилий – к примеру, Хитрово, Глебовы и Измайловы. Позже к ним добавились Голицыны, Сытины, Шереметевы…
Известно, что во второй половине XVII столетия церковь была частично перестроена, и даже царь Алексей Михайлович пожертвовал на ее обновление сумму в десять рублей. В то время у церкви были приделы, освященные в честь преподобного Сергия Радонежского и Сошествия Святого духа на апостолов. На территории прихода тогда жили Лопухины, приблизившиеся ко двору после брака Евдокии Лопухиной и Петра Первого и впавшие в немилость после заточения императрицы в монастыре. В самом конце XVII века сестра Федора Лопухина, тестя императора, Евдокия Чирикова пожертвовала средства на обновление храма. Обновленное кирпичное здание было богато украшено в традициях стиля «московское барокко».
Однако благолепие храма серьезно пострадало во время пожара 1737 года, повторный пожар в конце 40-х годов уничтожил еще и кровлю церкви. Во время Отечественной войны 1812 года церковь пострадала незначительно, поэтому следующее ее крупное обновление состоялось только в конце XIX века.
В 30- е годы прошлого века церковь была закрыта, лишена своих глав, а в ее помещения въехал антропологический музей МГУ. В 70- 80-е годы была проведена реставрация здания, а затем его заняли научные учреждения нефтегазовой отрасли. В 90-е годы здание было передано верующим.