Домовый храм Святой Живоначальной Троицы был устроен в здании Императорского театрального училища, ныне Академии Русского балета имени А.Я. Вагановой, в 1836 году. Освящение храма состоялось 2 февраля 1837 года. Храм был создан для духовного окормления учащихся и преподавателей училища, находившегося под покровительством императорской семьи.
Здание, в котором расположен храм, было построено в 1828–1836 годах по проекту архитектора Карла Росси. Храм разместился на третьем этаже левого флигеля здания. Иконостас и внутреннее убранство были выполнены в стиле ампир. В 1843 году храм был переосвящен после ремонта, вызванного повреждениями от пожара.
В 1918 году храм был закрыт, как и многие другие домовые церкви учебных заведений. Помещение было переоборудовано под учебные классы. В советский период интерьеры храма были утрачены, включая иконостас и настенные росписи.
В 1991 году храм был возвращен Русской Православной Церкви. Восстановительные работы проводились в 1993–1995 годах. Повторное освящение храма состоялось 4 декабря 1995 года. Богослужения возобновились, и храм вновь стал использоваться для духовного окормления учащихся академии.
Архитектурные особенности храма включают восстановленный иконостас в стиле ампир и фрагментарно сохранившиеся элементы первоначального декора. Храм остается действующим и в настоящее время, сохраняя свою историческую и культурную значимость как часть комплекса зданий эпохи классицизма в Санкт-Петербурге.