Первое упоминание о церкви на этом месте датируется 1547 годом, когда здесь находилась деревянная церковь во имя святителя Василия Кесарийского. Она была возведена на заболоченном берегу небольшой реки Рачки, что обусловило название местности — «Грязи». В 1619 году упоминается престол Покрова, а в 1649 году на месте деревянной церкви была построена первая каменная церковь с двумя престолами.
В 1701 году была возведена вторая каменная церковь с новым приделом Введения. Однако в 1742 году обрушилась колокольня с нижней и верхней трапезной, вероятно, из-за строительства на топком месте. В 1745 году было начато строительство новой церкви, завершённое в 1752 году. Главный престол был освящён во имя Живоначальной Троицы.
Современное здание храма было построено в 1856–1861 годах по проекту архитектора Михаила Доримедонтовича Быковского на средства московского фабриканта Евграфа Молчанова. Храм представляет собой крупное сооружение, выполненное с использованием приёмов архитектуры Ренессанса. Прямоугольный в плане четырёхстолпный храм с пониженными угловыми ячейками и колонным портиком завершался монументальным купольным барабаном и высокой многоярусной колокольней над западным притвором. Фасады украшены пилястровыми портиками большого ордера, пышными композитными капителями и фризом с лепным растительным орнаментом. Крыльцо перед главным входом со стороны улицы выполнено в виде небольшой башенки с фигурным завершением.
В 1899 году храм был обновлён и повторно освящён 31 октября. В 1929 году здание было захвачено представителями так называемых «григорианцев», а в январе 1930 года храм был закрыт по решению Моссовета и переоборудован под зернохранилище. В середине 1950-х годов здание храма было приспособлено под дом культуры: купол и колокольня были снесены, внутренний объём разделён перегородками и перекрытиями на три этажа. В центральном приделе был устроен киноконцертный зал со сценой на месте алтаря.
В 1979 году на своде бывшего храма появилась трещина, после чего здание было закрыто для проведения капитального ремонта. В 1980–1981 годах были проведены ремонтные работы и укреплён фундамент. В начале 1990-х годов в здании размещался Центр досуга и отдыха Московского областного комитета профсоюзов.
В 1992 году храм был возвращён Русской Православной Церкви. Проект реставрации был подготовлен архитекторами В. А. Тишкиной и О. А. Данилиной. В 2009 году завершилась реставрация фасадов; планируется восстановление колокольни и центрального купола. В настоящее время в храме регулярно проводятся богослужения.
При храме действует доходный дом, построенный в 1908–1909 годах по проекту архитектора Льва Кравецкого и инженера-строителя Петра Микини на средства купцов Оловянишниковых. Здание известно своими уникальными терракотовыми барельефами, изображающими фантастических животных, птиц и деревья, выполненными художественной артелью «Мурава» по эскизам художника Сергея Вашкова. Эти барельефы являются отсылкой к резьбе Дмитриевского собора во Владимире.
