Известно, что в 1610 г. на этом месте уже стоял храм. На старинном подробном плане Москвы, так называемом «Сигизмундовом», он уже обозначен. Первые сведения о приходе с перечислением дворов и прихожан содержатся в Переписной книге 1638 г. Церковь в то время была, скорее всего, деревянной. Каменным храм впервые упоминается в 1657 г.

Рядом с церковной землей располагался двор думного дворянина Авраама Никитича Лопухина. Его дочь Евдокия Авраамовна Чирикова (Лопухина) в 1696 г. перестроила церковь на свои средства в память о своей умершей дочери Неониле. Это здание с небольшими поздними перестройками и дошло до наших дней. Одним из храмоздателей (тот, кто заботится о благосостоянии храма) этой церкви был, вероятно, дьяк Посольского приказа Емельян Игнатьевич Украинцев. Его каменные палаты располагались вблизи приходской церкви и были соединены с ней деревянным переходом.

Новый храм типа восьмерик на четверике, выстроенный из большемерного кирпича с резными белокаменными деталями, являет собой характерный памятник «московского барокко». Храм увенчан кирпичной главкой на двух глухих восьмериках. Такая же главка поставлена над северным приделом. Поливные изразцы украшают верх восьмерика. Оконные проемы украшены сложными наличниками с тонко прорисованными белокаменными кокошниками.

Церковь пережила пожар 1737 г., когда все «снаружи и внутри кроме престолов погорело». Еще через 10 лет, при следующем московском пожаре, выгорела церковная деревянная кровля.

А вот во время нашествия Наполеона храм уцелел. Перед французским командованием ходатайствовал настоятель, о. Петр Иванов. Сохранился документ администрации наполеоновской армии, свидетельствующий о дозволении совершать богослужения в Троицком храме на Хохловке.

В начале 1820-х годов настоятель Троицкого храма обратился к архиепископу Филарету за разрешением отремонтировать алтарь и купол Троицкой церкви, так как «алтарь от давнего времени пришел в ветхость и священнодействовать в нем опасно». Через шесть лет ремонтные работы в Троицком храме были закончены: полностью перестроили полукруглую апсиду храма в стиле ампир, а декор здания получил нынешний вид.

В мае 1935 г. Троицкий храм был закрыт и отдан под лаборатории и хранилище Государственного Музея антропологии МГУ.

Здание церкви Святой Живоначальной Троицы на Хохловке, на протяжении долгих лет занимаемое различными арендаторами, постепенно ветшало и разрушалось. Едва ли не чудом на его стенах сохранялись надгробные белокаменные закладные доски рубежа XVII–XVIII вв. с именами почивших прихожан. Троицкая церковь была включена в реестр московских памятников, подлежавших государственной охране. С 1970-х годов начались архивные и натурные изыскания, позволившие приступить к реставрации храма. Авторами проекта реставрации, целью которого было воссоздание его первоначального внешнего облика, стали известные московские архитекторы И.И. Казакевич и Е.П. Жаворонкова. Однако внутренняя планировка здания служила располагавшимся здесь учреждениям.

Возрождение Троицкого храма и общины началось в 90-е годы XX века.