На месте современного храма ранее находился Троицкий мужской монастырь, основанный в 1597 году по указу царя Бориса Годунова. Монастырь был разрушен в 1612 году во время Смутного времени литовскими войсками. Впоследствии обитель была восстановлена, но позже упразднена, и на её месте осталась приходская церковь.
Современное каменное здание храма было возведено в 1742 году, хотя некоторые источники указывают на 1733 или 1740 годы. В 1782 году храм был перестроен силами прихожан, а в XIX веке расширен двумя боковыми приделами: северный был освящён в 1829 году, южный — в 1842 году. Таким образом, нижний храм использовался для богослужений в зимнее время, а верхний, более светлый и просторный, — в летнее.
В 1940 году храм был закрыт, а в начале Великой Отечественной войны с его колокольни была снята глава, и на её месте оборудован наблюдательный пост ПВО. Богослужения возобновились в конце 1941 года и продолжались до 1961 года, когда церковь вновь закрыли. В ходе реставрации, начавшейся в 1971 году, была восстановлена глава колокольни. В 1989 году в здании храма разместился планетарий. Первый этаж храма был передан Русской Православной Церкви в 1992 году, а второй — в 1995 году.
В настоящее время храм имеет несколько престолов: в нижнем храме — во имя Святой Троицы, преподобного Амвросия Оптинского, благоверных князей Бориса и Глеба; в верхнем храме — во имя Святого Духа и святителя Николая Чудотворца. В 2012 году были освящены три престола в нижнем храме.
Архитектурно храм построен в традициях русского зодчества второй половины XVII века. Это кирпичное двухэтажное одноглавое здание, тип которого характеризуется восьмериком на четверике. Двухуровневая трапезная соединяет храм с высокой четырёхъярусной, восьмигранной на четверике, колокольней. Верхний храм доступен через две крутые широкие лестницы, расположенные в северной и южной пристройках к колокольне. Декоративное убранство храма скромное, включает профилированные наличники и простые аркатурные фризы.
