Свято-Троицкий храм был отстроен и освящён в 1733 году на средства прихожан с использованием старых фундаментов Христорождественского собора 1658 года постройки. Церковь в честь Живоначальной Троицы была освящёна как однопрестольная, холодная. В 1825 году к основному объёму церкви пристроили тёплую трапезную с Благовещенским приделом с южной стороны, так как в том же году была разобрана рядом стоящая одноимённая церковь. В 1827 году возвели трёхъярусную колокольню, храм обнесли каменной оградой с железной решёткой. 28 ноября 1893 года с северной стороны в трапезе освятили придел в честь иконы Божией Матери Одигитрии. Троицкий храм считался городским собором до того, как в 1872 году был построен Смоленский собор.
На колокольне Троицкой церкви до революции имелось 7 колоколов: Большой весом 108 пудов, Полиелейный в 50 пудов, Часовой в 10 пудов, Будничный и два Зазвонных — в 3 пуда и 1 пуд соответственно. Большой колокол имел надпись: «Божиею милостью вылит сей колокол в городе Казани в слободе Подлужной на заводе Луки Степанова Рукавишникова». Средний отлит в 1869 году на заводе потомственных почётных граждан саратовских 1-й гильдии купцов, братьев Гудковых и имеет надпись: «Благовествуй, земле радость велию, хвалите небеса Божию Славу». Один из приделов, который освятили уже в наши дни, посвящён иконе Божией Матери «Страстная». В Троицкой церкви с незапамятных времён хранился чудотворный список с этого образа. Ежегодно с 4 по 18 июля козьмодемьянцы и чебоксарцы совершали крестный ход в село Палец Нижегородской губернии с этой иконой по обещанию, данному предками в память избавления от чумы в царствование Алексея Михайловича. В храме также хранилась икона Божией Матери «Троеручицы», списанная с чудотворного образа, хранившейся на святой горе Афон в Хиландарском монастыре, греческим иконописцем и принесена в дар патриарху Никону в 1664 году, а затем перенесена в Козьмодемьянск.
При храме с 1884 года действовала церковно-приходская школа, в ней обучалось 50 мальчиков. В приходе числилось 125 домов, из них 87 мещанских, 35 крестьянских. Проживало в них 318 мужчин и 357 женщин. После Октябрьской революции при советской власти церковное здание было передано общине верующих по договору с Козьмодемьянским городским советом. Решением того же Совета церковь Живоначальной Троицы была закрыта 27 сентября 1938 года. Перед закрытием, чуть ранее, протоиерея Валериана Новикова арестовали 19 декабря 1937 года и осудили на 10 лет лагерей. После закрытия храм пустовал некоторое время. На протяжении четырёх лет, с 1941 года по 1945 год в Троицкой церкви был оборудован детский дом для детей из осаждённой Москвы, позже сюда въехали дети-сироты. Затем здесь размащались библиотека, возле храм был оборудован конный двор коммунального городского хозяйства, позже в здании бывшего храма разместили коммунальные квартиры.
В конце 1930-х годов снесли пятиглавие, разобрали трёхчастную апсиду и два яруса колокольни. Обрушено сводчатое перекрытие, а над трапезной поставили семистенный сруб. В то время был утрачен южный портал храма и часть северного. Был демонтирован иконостас, сброшены колокола, внутреннее пространство перепрофилировано, стены и своды выкрашены в белый цвет. В 1989 году храм, точнее то, что от него осталось передали РПЦ.
В 1990 году на средства образовавшейся церковной общины вновь был отстроен уничтоженный алтарь из силикатного кирпича. В процессе ремонтно-восстановительных работ внутри здания разобрано межэтажное перекрытие, восстановлено пятиглавие. В 1992-1993 годах специалистами-реставраторами Козьмодемьянского реставрационного участка восстановлена колокольня, был заказан новый иконостас для храма. При последней реставрации была восстановлена и трапезная.
Стоит несколько слов сказать и об архитектуре самого храмового здания. При возведении церкви использовался большемерный кирпич, при строительстве трапезной и колокольни — стандартный. Фундаменты бутовые. Двухстолпная трапезная перекрыта пятью лотковыми сводами. Храмовый четверик перекрыт двумя лотковыми сводами, опирающимися на три поперечные подпружные арки с двумя опорными столбами. Проёмы арочные с архивольтами и веерными замками. Алтарь перекрыт конхой в два кирпича и имеет три арочных проёма и печуры. На углах четвериков попарно расположены полуколонны с базой и небольшой капителью. В первом ярусе — пилястры. Между ярусами проходит небольшой карниз. Основной куб храма украшен каменным пояском в виде гирек, венчает ряд декоративных закомар. Центральный барабан световой, остальные глухие. Гранёные главы, крытые железом из нитрид титана красивого рисунка, возносят ажурной формы кресты. Красивые купола, имеющие рисунок из железа, и возносящиеся кресты ажурной формы впечатляют при близком рассмотрении.
В настоящее время объект культурного наследия «Церковь Пресвятой Троицы» представляет собой действующий храм, на территории которого находятся деревянные и кирпичные постройки конца ХХ века. Привлекает интерес смотровая площадка в виде часовни с мозаичным изображением святых Космы и Дамиана.
