Владение, первоначально носившее название «Осташково», известно с середины XVI века. После 1585 года здесь появилась первая деревянная Троицкая церковь, разрушенная в Смутное время. В 1625–27 годах князья Черкасские построили новую деревянную церковь. В 1692 году князь М.Я. Черкасский возвел каменную церковь во имя Троицы Живоначальной которая с некоторыми изменениями сохранилась до наших дней.

По одной из версий, зодчим церкви был крепостной П. Потехин. Троицкий храм является выдающимся памятником русской архитектуры второй половины XVII века и примером наибольшего использования узорочья и изразцов в убранстве фасадов. Структура церкви оригинальна: у нее нет трапезной, к четверику примыкает лишь коридор, на который ведет три крыльца. Приделы не только внешне выглядят как самостоятельные церкви, пристроенные к основному храму, но и внутри отделены от него стенами. В ширинки на фасадах крылец вставлены белокаменные резные детали и разноцветные глазурованные изразцы. Наличники окон богато декорированы резными деталями. Особой гордостью церкви был пышный иконостас в стилистике нарышкинского барокко.

Главный престол был освящен в честь Троицы, южный придел – во имя святого Александра Свирского, северный – во имя Тихвинской иконы Божией Матери. Последний служил домовой церковью князей Черкасских, соединяясь переходом с их домом. В 1918 году в подклете церкви был освящен нижний храм во имя святого Николая Чудотворца, а в 1920 при нем появился придел Серафима Саровского.

Традиционная шатровая колокольня не раз перестраивалась. Нынешний облик она приобрела в 1877 году, когда храм обновлялся по проекту архитекторов Серебрякова и Султанова. Над южным крыльцом церкви тогда появился небольшой декоративный шатрик с двумя рядами кокошников.

Богослужения в Троицкой церкви продолжались до 1933 года, после чего ее передали музею-усадьбе «Останкино». Это спасло здание от уничтожения и искажения. В 1980-х годах здесь проходили концерты духовной музыки. Уникальное убранство храма пострадало: от иконостаса сохранилась только нижняя часть с царскими вратами.

С 1991 года были возобновлены богослужения. Несколько лет при церкви находилось подворье Оптиной пустыни. Сегодня это приходской храм.