Храм возведён в 1841 – 1844 годы по проекту губернского архитектора Карла Турского. По окончании строительства церковь была освящена епископом Томским и Енисейским Афанасием. Храм был построен на средства единоверческой общины Томска. Основным жертвователем и попечителем прихода являлся старообрядец мещанин П. И. Поздеев.
В последующие годы к храму были пристроены 2 придела: северный – во имя священномученика Харалампия Магнезийского и южный – во имя великомученика Димитрия Солунского. При храме работали два одноклассных училища: Воскресенское мужское и Воскресенское женское. В начале XX века томским купцом Н.Тихоновым вокруг храма был разбит сад.
В августе 1937 года епископ Серафим (Шамшин) был арестован и 17 сентября расстрелян во рву Каштачной горы. В храме большевики учинили погром: они жгли иконы, книги и церковные архивы. Фактически он перестал действовать 27 сентября 1937 года по решению Томского горсовета. Но распоряжения Новосибирского крайкома о закрытии прихода поступили лишь 8 февраля 1940 года. К этому времени все храмы Томской епархии были закрыты, и сама она перестала существовать. Уже к 1938 году из 41 молельного здания в городе не функционировало ни одно.
В Свято-Троицкой церкви сначала разместили склад Заготзерно, затем контору автоколонны «Сибхозтраса». Церковная утварь была передана в государственный фонд (по другим сведениям – выброшена, книги и иконы сожжены). Пострадало и здание храма: были снесены кресты, стены южного придела были полуразрушены, двери, полы и оконные рамы – сорваны.
После войны, в 1945 году Троицкий храм разрешили открыть. За короткие сроки на народные средства его удалось восстановить. Из бездействовавшей церкви села Зоркальцево был перевезён иконостас XVIII века. Восстановленный крест на колокольне из-за отсутствия золота был оформлен зеркалами, которые сохранились до сих пор. 15 февраля 1946 года храм был вновь освящен по православному обряду, более не был единоверческим.
До начала 1990-х годов Петропавловский собор и Свято-Троицкий храм были единственными действующими православными храмами Томска.
Сегодня при храме действуют воскресная школа и библиотека. На территории сохраняется надмогильный памятник крупного томского предпринимателя и мецената Е. И. Королёва.
