Он является памятником архитектуры федерального значения и представляет собой значимый объект историко-культурного наследия.
История храма начинается в 1757 году, когда на территории Троицкого кладбища была построена деревянная церковь во имя Святой Троицы. Это сооружение заменило ранее существовавшую часовню и стало первым храмом на новом кладбище, перенесённом по указу императрицы Елизаветы Петровны. Первоначальная церковь была небольшой, без купола, с низкой колокольней. В 1770-х годах здание было удлинено почти вдвое, а в 1840 году при настоятеле протоиерее Андрее Благовещенском были добавлены купол и более высокая колокольня. Церковь оставалась летней и не отапливалась.
В 1857 году, на средства мещанина Василия Гурьянова, был устроен придел во имя святой мученицы Вассы. Это было сделано в память о его супруге Василисе и их восемнадцати детях, умерших во младенчестве. Освящение придела состоялось в августе 1857 года и было приурочено к столетнему юбилею Троицкого храма. К этому событию настоятель протоиерей Гавриил Любимов издал книгу «Юбилейные торжества в городе Ораниенбауме», доходы от которой пошли на устройство Богадельного дома при церкви, открытого в 1861 году.
В начале XX века было принято решение о строительстве нового каменного храма. В 1903–1904 годах по проекту архитектора И. П. Горленского была возведена новая церковь во имя Святой Живоначальной Троицы. Архитектура храма выполнена в неорусском стиле с использованием базиликальной схемы, что является редкостью для православных храмов. Такая планировка была выбрана для увеличения внутреннего объёма при снижении стоимости строительства. Однако в процессе строительства были внесены изменения, в частности, уменьшена высота шатра колокольни, что исказило первоначальный замысел архитектора. В храме были устроены приделы во имя святого благоверного князя Александра Невского и святого равноапостольного князя Владимира.
В 1939 году церковь была закрыта, здание переоборудовано под клуб-кинотеатр, а затем использовалось для различных хозяйственных нужд. В 1994 году храм был возвращён Русской Православной Церкви. В 2010–2011 годах произошло обрушение крыши, и реставрационные работы ещё не были начаты. В начале XXI века была снесена оранжерея из силикатного кирпича, пристроенная в советское время к южной стене храма.
