Церковь расположена между 2-м и 3-м Ирининскими переулками. Ранее соседняя улица, с 1925 года носящая имя Фридриха Энгельса, тоже была Ирининской – по главному приходскому храму села Покровское. Его главная часть была построена в честь праздника Святой Троицы, но в народе прижилось именование в честь придела святой Ирины.

Первоначально здесь была церковь святого Николая Чудотворца с Ирининским приделом. Он был создан вскоре после 1635 года, когда у царя Михаила Федоровича родилась дочь Ирина. В 1763 году ее здание сгорело, и было решено построить два отдельных храма на отдалении друг от друга: один, в честь святого Николая Чудотворца, в конце Покровской, ныне Бакунинской, улицы (он сохранился), а другой – в честь святой Ирины. Возведение новой церкви начали с трапезной: ее возвели в 1765–66 годах с приделами святой Ирины и святой Екатерины. Первоначально деревянная, она была создана в камне в 1790–94 годах. Строительство каменного главного храма во имя святой Троицы завершилось в 1800 году.

Приделы изначально располагались в трапезной, но после перестройки 1891 года их алтари были выдвинуты на одну линию с главным. Над входом ранее располагалась трехъярусная колокольня.

В ХХ веке храм был закрыт и сильно перестроен. В начале 1930-х годов он превратился в тир ворошиловских стрелков, для которого разобрали купол и колокольню, во фронтоне над входом вставили пятиконечные звезды со знаменами. Церковные колокола отправили на переплавку: по одной из версий, из них позднее созданы барельефы для здания Библиотеки имени Ленина. После войны здание занял радиозавод, затем продовольственная база.

Состояние церкви со временем стало катастрофическим. Лишь начатая в 1990-х годах реставрация спасла его от полного исчезновения. В 1992 году возобновились богослужения. Со временем был воссоздан купол с главой и две главки над приделами. Колокольня пока не восстановлена, ждет реставрации и дом причта XVIII века в 3-м Ирининском переулке.