На месте деревянной придворной Владимирской церкви, к западу от дворца, при Собственной Его Императорского Величества Даче, 4 (16) июля 1858 года духовник императорской семьи протопресвитер Василий Бажанов в высочайшем присутствии Императора Николая Второго совершил торжественную закладку новой каменной церкви. Под жертвенник в новостроящийся храм была положена плита с высеченным на ней крестом. Эту плиту нашли при сломе прежней, деревянной Владимирской церкви. Торжественное освящение храма было совершено 15 (27) июля 1870 года в высочайшем присутствии. Каменная Троицкая церковь (церковь Троицы Живоначальной) в стиле барокко с одним многогранным куполом была построена по проекту А.И. Штакеншнейдера. Богослужения в этом храме совершались один раз в году — в праздник Святой Троицы.
Церковь была закрыта в 1918 году и разорена. Впоследствии она использовалась как зал ожидания посетителей так называемого Бытового музея, разместившегося в находящемся рядом здании дворца (Собственной дачи). В годы Великой Отечественной войны она сильно пострадала от обстрелов. В послевоенные годы здание церкви стало постепенно приходить в аварийное состояние. Вход со стороны западной части храма был сильно разрушен, завален мусором и заколочен. Никакой лепнины не сохранилось. В 1970-е годы здание церкви было законсервировано.
В 2005 году сохранившееся здание церкви было передано Русской Православной Церкви и приписано к церкви преподобного Серафима Саровского в Старом Петергофе. Сейчас идет восстановление храма — ведутся строительные работы. Внутреннее убранство уже отреставрировано, осталось восстановить часть фасада храма. Как и прежде, богослужение проводится только в праздновании Святой Троицы, но храм открыт. Служители с удовольствием показывают архивные документы описаний и фотографий храма.
