История храма берет начало в начале XVIII века и связана с созданием первой в России морской крепости. 12 июня 1701 года в устье Северной Двины на острове Бревенник была заложена Новодвинская крепость. В 1702 году, по указу Петра I, для усиления гарнизона крепости из города Холмогоры на остров Бревенник были переведены стрелецкий и гайдуцкий полки. Силами личного состава этих полков были возведены две деревянные церкви — Троицкая и Богоявленская.
В 1716 году, незадолго до окончания Северной войны, большая часть гарнизона крепости, включая указанные полки, была переведена на правый берег реки Кузнечихи в район деревни Кузнечиха. Туда же были перенесены и обе деревянные церкви, которые были освящены на новом месте 4 июля 1717 года.
Со временем деревянные сооружения обветшали, и на общем собрании офицеров и солдат было принято решение о строительстве каменного храма. 20 июня 1745 года они обратились за благословением к архиепископу Варсонофию, который дал разрешение на строительство. Строительство каменного храма было завершено в течение двух лет. 7 октября 1747 года был освящен придел Архистратига Михаила, а 15 октября того же года — главный престол первого этажа в честь праздника Богоявления. Верхняя Троицкая церковь была освящена позже, 20 сентября 1764 года, а придел Иоанна Предтечи — 13 сентября того же года.
Архитектурно храм представляет собой двухэтажное каменное здание, включающее зимний (нижний) храм и летний (верхний) храм. В 1761 году, 6 июня, была заложена трехъярусная колокольня, соединенная с основным зданием храма и расположенная над входом в верхнюю церковь.
До 1810 года церковь находилась в ведении батальонного командира, затем перешла в епархиальное ведомство, однако ее прихожанами по-прежнему оставались военные, включая полубатальон военных кантонистов до 1863 года. В храме хранились воинские реликвии, такие как четыре полковых знамени петровского времени, царские вклады и предметы церковного обихода. Здесь также проводились церемонии обрядов войск Архангельского гарнизона.
Богослужения в Свято-Троицком храме продолжались почти два века. Точная дата последнего богослужения неизвестна, однако по постановлению президиума Северного крайисполкома от 23 февраля 1930 года церковь была переоборудована под общежитие и другие общественно-культурные нужды. В 1936 году в здании храма размещались школа шоферов и общежитие рабочих трикотажной фабрики, позднее — мыловаренный завод и обувная фабрика. С 1952 года здание использовалось как камнерезный завод. В этот период храм подвергся значительным изменениям: были демонтированы главка, осветительный барабан и верхний ярус колокольни, что существенно изменило его первоначальный облик.
Возрождение Свято-Троицкого храма началось в 1992 году с передачи его Архангельской епархии. 6 августа 1995 года состоялось малое освящение и первая литургия после длительного перерыва. С этого времени в храме возобновились регулярные богослужения, и начались работы по восстановлению его исторического облика.
