Согласно Патриаршим книгам «Кира и Иоанна под Симоновым, в Кожевниках» приходская церковь на территории Кожевенной слободы существовала уже в первой половине XVII века. Судя по клировым ведомостям в 1686-1688 гг., храм был перестроен «... по указу великих Государей Царей Иоанна Алексеевича и Петра Алексеевича и Великия Государыни Царевны Софии Алексеевны на вновь отведенной из Дворцового Кожевнического укоснаго лугу земле тщанием прихожан... освящен 17 августа 1702 г.»

Время появления колокольни окончательно не установлено, очевидно ее возвели до 1714 г., когда каменное строительство стало запрещено. Предполагают, что автором проекта колокольни был архитектор И.П.Зарудный. В последующие годы храмовый комплекс перестраивался, в частности в разное время между колокольней и четвериком возвели трапезную с двумя приделами, окончательно постройка была закончена к 1766 г. Период с 1767 по 1772 гг. считается временем строительства галереи колокольни. Крупные московские пожары 1737 и 1812 гг. не затронули Троицкую церковь, она лишь незначительно обгорела.

В 1823 г. по прошению священнослужителей и прихожан церковь обнесли каменной оградой. Декоративная обработка разновременных объемов (храм, колокольня, трапезная с приделами) не отличается стилевым единством. В оформлении фасадов храма присутствуют характерные черты «московского барокко». Оконные проемы фланкированы трехчетвертными колонками, которые венчают стилизованные ионические капители. Входы северного и южного фасадов обрамлены резными белокаменными порталами с витыми колоннами, завершенными коринфскими капителями. Ребра восьмигранных барабанов выделены тонкими трехчетвертными колоннами. Храм имел богатое внутренне убранство, в том числе благодаря московским купцам Бахрушиным, много жертвовавшим на его нужды. Алексей Александрович Бахрушин, основатель Театрального музея, венчался в этом храме.

В оформлении колокольни присутствуют декоративные элементы типичные для барокко середины XVIII в.: лепные гирлянды, головки ангелов, волюты. Углы ее восьмигранных ярусов обработаны строенными пилястрами. Фасады первого яруса галереи расчленены пилястрами, второго яруса — колоннами коринфского ордера. Центральные части каждого фасада галереи украсил лучковый фронтон с барельефным изображением Архангела Михаила. Фасады трапезной с приделами декорированы мелко профилированными карнизами, лопатками по углам и венчающими главками на восьмигранных барабанах.

Благодаря высоте и силуэту Троицкая церковь являлась визуальной доминантой малоэтажной застройки Кожевнической слободы.

Согласно планам XVIII — нач. ХIХ вв. церкви принадлежал довольно значительный участок окрестной земли, на ее территории находились дома причта и богадельня. По мере расширения города за приделы Садового кольца район стал застраиваться промышленными предприятиями, многоэтажными жилыми домами, появилась железная дорога. Почти полностью застроили и церковный участок: в непосредственной близости от храма возвели заводские корпуса, а в 1930-е гг. – здание школы. А в 1935 г. храм был закрыт и разграблен. В последующие годы здесь располагались склады, жилье, заводской цех. Затем в здании размещались мастерские Всесоюзного производственного научно-реставрационного комбината. 

Первый проект реставрации Троицкой церкви был разработан в 1953-1954 гг., а в 1972-1974 гг. осуществлены реставрационные работы по колокольне. В 1983 г. был выполнен проект реставрации с приспособлением под концертный зал Государственного камерного хора Министерства культуры СССР. Сама реставрация прошла в 1983-1994 гг., но приспособление не было осуществлено, так как в 1992 г. храм был возвращен Русской Православной церкви.