Троицкая церковь была основана в 1823 году по указу Орловской духовной консистории от 7 февраля за № 447. Строительство велось на доброхотные пожертвования горожан под руководством коллежского секретаря Логгина Лаврентьевича Де-Канора и соборного протоиерея Иакова Онисимовича. Каменный храм во имя Живоначальной Троицы был освящен 6 мая 1828 года преосвященным Гавриилом. Первоначально церковь не имела собственного причта, и богослужения совершались градскими священниками поочередно.
В 1852-1854 годах к храму была пристроена каменная колокольня, заменившая первоначальную деревянную конструкцию. В 1865-1867 годах церковь была расширена боковыми пристройками по проекту архитектора В.С. Попова. Поводом для расширения послужило желание семьи генерала А.П. Ермолова, героя Отечественной войны 1812 года, устроить в храме семейный склеп вместо сооружения отдельного памятника на могиле.
В советский период храм был закрыт в 1930-х годах, колокола сняты в 1930 году. Богослужения возобновились в 1942 году во время немецкой оккупации. После освобождения Орла в 1943 году церковь продолжала действовать, передавая средства в Фонд обороны страны. Официально храм был передан церковной общине 4 апреля 1944 года.
В 1954 году на восточной стене правого придела была установлена мемориальная доска с барельефом А.П. Ермолова работы скульптора Б.Д. Бологова. В 2013 году во время реставрационных работ были обнаружены следы разграбления семейного склепа Ермоловых в 1930-1950-х годах. Останки членов семьи Ермоловых были собраны и перезахоронены сотрудниками Института археологии РАН.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное однокупольное сооружение в стиле позднего классицизма с трапезной частью. Под южной пристройкой находится склеп семьи Ермоловых. Троицкое кладбище, при котором расположен храм, было основано в 1778 году и сохранилось до настоящего времени.