Существующий каменный храм во имя Св. Живоначальной Троицы (Троице-Васильевский) заложен в 1743 г. и окончен в 1751 г. «иждивением орловского купца Николая Васильевича Кузнецова с прихожанами». Храм двухэтажный, первый этаж был теплый, верхний — холодный. Первоначально имел три престола: вверху — во имя Св. Троицы, внизу — Св. Василия Великого, в правом приделе — Св. Никиты.
Каменная колокольня построена в 1802 г. В 1867 г. храм расширен на средства орловского купца Енфимия Семеновича Шелкова пристройкой с обеих сторон в два этажа. В 1881 г. вокруг церкви устроена кирпичная с железной решеткой ограда. 3 сентября 1872 г. в верхней церкви протоиереем Иоанном освящен с правой стороны придел во имя Св. Тихона Задонского, а 5 июля 1880 г. в ней же слева протоиереем Александром Павловским освещен придел во имя Иконы Божьей Матери «Взыскание погибших». В 80-е годы был освящен придел в нижнем храме с левой стороны во имя Св. великомученицы Варвары, иконостас которого был изготовлен на средства прихожанина Павла Ивановича Афанасьева. Таким образом, церковь к концу столетия стала двухэтажной и шестипрестольной — единственной в городе Орле.
В 1896 г. произведен ее капитальный ремонт снаружи, в ходе которого, в частности, были позолочены кресты и главы, а верхний ярус колокольни переложен заново.
В 1899-1900 гг. была отремонтирована нижняя церковь, стены и потолки расписаны живописью, устроены 4 вентиляционные печи. Плотницкие работы производил подрядчик Косма Егорович Овечкин, иконостасные — болховский купец Петр Павлович Абашин, каменные и штукатурные — подрядчик П. М. Тиморин и др. На колокольне было 8 колоколов, один из которых массой 318 пудов был приобретен в 1849 г.
В числе прочего были заменены иконостасы на новые, в проходной арки по новому рисунку в форме иконостасов устроены места для икон. С правой стороны спасителя Б.М. «Страстная», Иоанна Крестителя, Вмч. Пантелеймона. С левой стороны Святой Троицы, Б.М. «Взыскание погибших», Св. Тихона Задонского, Феодосия Черниговского. Устроены два новых балдахина для икон «Млкопитательницы», Пр. Тихона Калужского, два поставных киота для икон Б.М. «Скорбящая» и трех Св. Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоустого, устроен поставной крест с изображением распятия с предстоящими. Особо чтимыми были иконы Святой Троицы в серебряно-вызлащенной ризе, Б.М. «Взыскание погибших» в серебряно-вызлащенной ризе с бриллиантами и икона Пр.Тихона Калужского в серебряно-вызлащенной ризе. Достоверно известно, что болящие люди получали исцеление после чтения акафиста и совершения водосвятного молебна у икон Пр.Тихона Калужского, Б.М. «Млекопитательница».
В 20-е годы Троице-Васильевская церковь некоторое время принадлежала обновленцам, но была закрыта из-за отсутствия прихода. В 30-е годы храм утратил верхние ярусы колокольни и венчавшую главный объем главку, восстановленную в 1989 г. С этого времени храм использовался не по назначению. С 1951 года в здании располагался обком ДОСААФ, с 1972 года здесь находился городской технический клуб. В конце 1999 годов здание церкви арендовала хозрасчетная организация ООО «За рулем».
Решением Малого Совета орловского областного Совета народных депутатов от 6.07.93 № 81-7 здание храма отнесено к памятникам архитектуры регионального значения. Охранное обязательство по недвижимому памятнику религиозного значения было подписано 3 июля 2005 года.
24 июня 1999 года по решению городского Совета народных депутатов здание храма передано Орловско-Ливенской епархии. Настоятелем назначен протоиерей Сергий (Крючков С.Ю.). 21 июля 1999 года в день празднования Б.М. «Казанская» проведено первое богослужение.
12 февраля 2000 года в день празднования Собора вселенских учителей и святителей Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоустого архиепископ Орловский и Ливенский Паисий совершил освящение престола Василия Великого. В настоящее время храм является действующим. Согласно православному календарю совершаются богослужения, работает воскресная школа для детей и взрослых. Продолжаются ремонтно-восстановительные работы на средства прихожан, частных лиц, многих предприятий и организаций города Орла.
В 2010-е годы роспись храма выполнена художником Смородиновым.
