История храма начинается в середине XVIII века, когда в 1756–1757 годах по распоряжению императрицы Елизаветы Петровны было принято решение о переносе городского кладбища Ораниенбаума на новое место, удалённое от главной дороги. На новом кладбище была возведена деревянная церковь во имя Святой Троицы. Освящение храма состоялось 21 июня 1759 года архиепископом Санкт-Петербургским и Шлиссельбургским Сильвестром (Кулябкой). Церковь была приписана к Дворцовой церкви великомученика и целителя Пантелеимона.
Первоначально церковь представляла собой небольшое здание, увенчанное шпилем, с отдельно стоящей открытой звонницей. Во второй половине 1770-х годов здание было увеличено в длину в два раза. В 1840 году при настоятеле протоиерее Андрее Благовещенском был устроен купол, а также увеличена высота колокольни.
В 1857 году на средства мещанина Василия Гурьянова был устроен придельный храм во имя святой мученицы Вассы. Это пожертвование было связано с личной историей семьи Гурьяновых, потерявших восемнадцать детей в детском возрасте. В 1861 году при храме был открыт женский богадельный дом, построенный по проекту Н. И. Весмана и А. И. Швецова. В 1871 году здание богадельни было надстроено архитектором Г. А. Прейсом.
В начале XX века, в связи с обветшанием деревянной церкви, было принято решение о строительстве нового каменного храма. Проект был разработан архитектором И. П. Горленским. Строительство велось на пожертвования прихожан и было завершено в 1904 году. Новый храм был трёхпридельным: главный престол освящён в честь Святой Троицы, боковые приделы — во имя святого равноапостольного князя Владимира и святого благоверного князя Александра Невского.
Архитектурно храм представляет собой здание базиликального типа, что является редкостью для православных церквей. Такое решение было обусловлено необходимостью максимально увеличить объём при ограниченных средствах. Фасады выполнены из красного кирпича с вставками из майоликовых изразцов. Внутреннее пространство храма было рассчитано на размещение до 700 человек, включая площадь хора.
После революции 1917 года храм продолжал функционировать благодаря созданию приходской «двадцатки», заключившей договор на использование каменной церкви. Богослужения совершал священник Алексей Андреевич Лебединский. В 1939 году храм был закрыт, и его здание использовалось в различных хозяйственных целях. В зимний период 2010/2011 годов произошло обрушение крыши храма.
