Строительство храма осуществлялось в 1785–1787 годах по инициативе генерал-прокурора князя Александра Алексеевича Вяземского и на средства императрицы Екатерины II. Проект храма разработал архитектор Николай Александрович Львов, вдохновленный архитектурными формами древнеримских сооружений, таких как храм Весты и пирамида Цестия.
Архитектурное решение храма представляет собой круглое здание-ротонду, окруженное шестнадцатью ионическими колоннами, символизирующими небесный свод. Колокольня выполнена в форме четырехгранной пирамиды, что придает комплексу уникальный облик. Внутреннее убранство храма оформлено белыми коринфскими пилястрами, а иконостас, перенесенный из Благовещенской церкви на Васильевском острове, выполнен в сине-золотых тонах.
Освящение храма состоялось на праздник Святой Троицы в 1790 году. В 1857–1859 годах к церкви были пристроены ризница, притвор и ограда, что несколько изменило первоначальный замысел архитектора. С 1871 года при храме действовало попечительство о бедных, включавшее школу и богадельню.
В марте 1938 года храм был закрыт и использовался под клуб. Весной 1946 года он был вновь открыт для верующих, а повторное освящение состоялось 1 июня 1947 года митрополитом Григорием (Чуковым).
