История храма тесно связана с селом Воробьёво, впервые упомянутым в летописях 1450-х годов. В середине XV века великая княгиня Софья Витовтовна, супруга великого князя Василия I, приобрела это село. К тому времени здесь уже существовал деревянный храм, предположительно возведённый в XIV веке, когда село принадлежало боярам Воробьёвым.
К 1644 году Троицкая церковь в Воробьёве упоминается как «очень древняя». Впоследствии на её месте были построены несколько дворцовых церквей, которые со временем были разобраны, и вместо них возведён единый Троицкий храм с придельными престолами.
К концу XVIII века деревянный храм обветшал и был разобран по указу императрицы Екатерины II. В 1811 году началось строительство нового каменного храма в стиле ампир по проекту архитектора Александра Витберга. Здание представляет собой четырёхугольную в плане конструкцию с колонными порталами, увенчанную куполом, с двухъярусной колокольней.
Во время Отечественной войны 1812 года храм не пострадал и продолжил функционировать. В 1812 году перед советом в Филях здесь молился Михаил Кутузов. Строительство было завершено в 1813 году.
В советский период храм несколько раз находился под угрозой закрытия, особенно в конце 1920-х годов и после строительства нового здания Московского государственного университета в 1950-х годах. Однако он продолжал действовать, оставаясь центром духовной жизни района.
В 1964 и 1971 годах в церкви проводился внешний ремонт, а в 1971–1972 годах — внутренний. В 2016 году здание храма было передано в собственность Русской Православной Церкви.
В настоящее время храм Живоначальной Троицы на Воробьёвых горах является действующим и относится к Михайловскому благочинию Московской епархии. Главный престол освящён в честь Святой Троицы; приделы — в честь святителя Николая Чудотворца и преподобного Сергия Радонежского. В храме хранятся иконы XVII–XIX веков, включая икону Божией Матери «Благодатное Небо» и иконы Господа Вседержителя, «Страстная» Божией Матери, Иоанна Предтечи и других святых.
Богослужения проводятся ежедневно: утреня и литургия в 8:00, в воскресные дни и двунадесятые праздники — водосвятный молебен в 8:00 и литургия в 9:00, вечерние богослужения накануне воскресных дней и праздников — в 16:00.
