Строительство храма началось в 1841 году по инициативе единоверческой общины Томска. Проект был разработан губернским архитектором Карлом Густавовичем Турским. Основным жертвователем и попечителем строительства выступил мещанин-старообрядец Пётр Иванович Поздеев. Возведение храма завершилось в 1844 году, после чего он был освящён епископом Томским и Енисейским Афанасием .
Архитектурный облик храма сочетает элементы русского классицизма и традиции старообрядческого зодчества. Здание выполнено из кирпича, имеет однокупольную структуру с трапезной и шатровой колокольней. В 1858 году к основному объёму был пристроен северный придел во имя священномученика Харалампия Магнезийского. В период с 1876 по 1887 годы был возведён южный придел в честь великомученика Димитрия Солунского, освящённый в 1887 году .
В начале XX века при храме были основаны два воскресных училища: мужское и женское. Здания училищ были построены в 1910 году по проекту архитектора В. В. Хабарова. В это же время вокруг храма был разбит сад, финансирование которого осуществлялось томским купцом Н. Тихоновым .
В 1920-х годах единоверческая община храма насчитывала около 20 человек, а к 1930-м годам — 66 человек. Община находилась в каноническом общении с православным духовенством, придерживаясь традиций патриарха Тихона. В 1925 году между общиной и городским исполкомом был заключён договор о бесплатном и бессрочном использовании храма и его имущества .
В 1936 году епископ Серафим перенёс кафедру из закрывшегося Воскресенского храма в один из приделов Троицкой церкви, сделав её временным кафедральным собором. Однако в 1937 году епископ был арестован и расстрелян, а храм подвергся разграблению: иконы и книги были сожжены, архивы уничтожены. 27 сентября 1939 года горсовет издал распоряжение о закрытии церкви. Здание использовалось под склад, затем под контору автоколонны и пекарню. В результате этих преобразований храм значительно пострадал: были снесены кресты, разрушены стены приделов, уничтожены деревянные элементы интерьера .
29 декабря 1945 года Совет по делам Русской православной церкви при СНК СССР, учитывая заключение Томского облисполкома и заявление верующих, разрешил открыть Троицкую церковь. 15 февраля 1946 года, в праздник Сретения Господня, храм был вновь освящён как православный, утрачивая статус единоверческого. С этого времени началось восстановление храма силами прихожан .
В настоящее время Свято-Троицкий храм является действующим приходом Томской епархии Русской православной церкви. При храме функционируют воскресная школа и библиотека. Среди святынь храма — икона с частицей мощей священномученика Харалампия, а также икона Милующей Божией Матери "Достойно есть" с Афонской горы .
