Свято-Троицкая церковь в Томске была возведена в период с 1841 по 1844 год на средства общины единоверцев (старообрядцев, сохранивших каноническое общение с Русской Православной Церковью). Автором проекта выступил губернский архитектор Карл Густавович Турский. Храм построен по канонам русской храмовой архитектуры XVII–XVIII веков без государственного финансирования. Основным жертвователем и попечителем строительства стал томский мещанин-старообрядец Петр Иванович Поздеев.
В 1858 году к центральному объему храма был пристроен северный придел во имя священномученика Харалампия Магнезийского. В 1876–1887 годах купец первой гильдии Дмитрий Иванович Тецков финансировал строительство южного придела во имя великомученика Димитрия Солунского, освященного 16 октября 1887 года. В начале XX века купец Н. Тихонов разбил вокруг храма сад.
В 1920 году приходской совет заключил договор с советскими властями о бессрочном бесплатном пользовании храмом. В 1936 году, после закрытия других томских церквей, Троицкий храм временно стал кафедральным для епископа Томского Серафима (Шамшева). В августе 1937 года епископ Серафим был арестован и расстрелян, храм разорен: иконы и архивы сожжены, утварь конфискована. Официально закрыт постановлением Новосибирского крайкома от 8 февраля 1940 года.
В декабре 1945 года Совет по делам РПЦ разрешил восстановление храма. К февралю 1946 года проведены основные работы: демонтированные кресты заменены зеркальными аналогами из-за нехватки золота, установлен резной иконостас XVIII века из села Зоркальцево. После повторного освящения храм перестал быть единоверческим. В течение последующих 50 лет Свято-Троицкая церковь и Петропавловский собор оставались единственными действующими православными храмами Томска.
Среди святынь храма отмечаются ковчег с частицами мощей великомучеников Димитрия Солунского и Георгия Победоносца, икона священномученика Харалампия с частицей мощей, а также иконы святителя Николая Чудотворца и великомученицы Анастасии Узорешительницы с мощевиками. Богослужебная жизнь включает славление великомученикам по воскресеньям после ранней литургии.
