Первое упоминание о селе Останкино, ранее известном как Осташково на Суходоле, относится к 1548 году. В 1584 году при дьяке Андрее Щелкалове здесь была построена первая деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы, которая была разрушена в период Смутного времени. В 1617 году царь Михаил Фёдорович пожаловал село князю Ивану Борисовичу Черкасскому, который в 1625–1627 годах возвёл новую деревянную Троицкую церковь.
В 1677 году князь Михаил Яковлевич Черкасский, сын Ивана Борисовича, подал прошение о строительстве каменного храма на новом месте, учитывая эпидемию, ранее поразившую село. Патриарх Иоаким благословил это начинание, и в 1678 году началось возведение нового храма.
Строительство храма продолжалось с 1677 по 1692 год и проходило в несколько этапов. 8 февраля 1683 года был освящён северный придел в честь Тихвинской иконы Божией Матери. 1 августа 1691 года состоялось освящение южного придела во имя святого Александра Свирского. 3 июня 1692 года был освящён главный престол во имя Живоначальной Троицы, а в том же году завершено создание иконостаса.
Архитектурно храм представляет собой бесстолпный четверик на высоком подклете с симметрично расположенными приделами и обходной галереей с трёх сторон. Отсутствие трапезной является особенностью данного сооружения. Фасады храма богато украшены декоративными элементами, характерными для стиля «московское узорочье».
Первоначально колокольня храма имела шатровое завершение. В период с 1739 по 1754 год шатёр был разобран и заменён двухъярусным завершением в стиле барокко. В 1856 году под руководством архитектора Михаила Доримедонтовича Быковского был проведён ремонт иконостаса. В 1877–1878 годах, по инициативе графа Алексея Дмитриевича Шереметева, архитекторы Николай Владимирович Серебряков и Николай Васильевич Султанов осуществили реставрацию храма, вернув колокольне первоначальный шатровый облик и добавив декоративные элементы в русском стиле.
Храм оставался действующим до 1933 года. В 1934 году он был включён в состав музея-усадьбы «Останкино», созданного в 1918 году. В период с 1970 по 1980-е годы проводились реставрационные работы, включавшие восстановление иконостасов, стенописи, ремонт кровли и фасадов.
В 1990 году было принято решение о возобновлении богослужений в храме. Перед передачей храма Русской Православной Церкви проведена реставрация по проекту архитектора Елены Александровны Черниковой. 23 марта 1991 года Патриарх Алексий II освятил главный придел храма. С марта 1991 по декабрь 1999 года при храме действовало подворье Оптиной пустыни, и богослужения проводились по монастырскому чину.
В 2011–2013 годах осуществлена реставрация иконостасов. В настоящее время храм является действующим, в нём регулярно проводятся богослужения и церковные мероприятия. Храм включён в состав Троицкого благочиния Московской епархии.
