Храм Трех Святителей в Париже был основан в марте 1931 года группой русских эмигрантов, оставшихся верными Московскому Патриархату после перехода митрополита Евлогия (Георгиевского) под юрисдикцию Константинопольского Патриархата. Учредительное собрание прошло под председательством епископа Вениамина (Федченкова), назначенного викарным епископом митрополита Елевферия (Богоявленского). Первое богослужение совершено на Пасху 1931 года в арендованном помещении бывшего подвала велосипедной фабрики по адресу rue Pétel, 5.
Храм имел двойное посвящение: главный престол освящен во имя трех Вселенских святителей (Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоуста), второй - во имя святителя Тихона Задонского. В верхнем помещении устроили трапезную и монашеские кельи. В том же году в храм был передан список Иверской иконы Божией Матери, вывезенный из Москвы в 1812 году наполеоновскими войсками.
В 1933 году по просьбе архимандрита Афанасия (Нечаева) Леонид Успенский и монах Григорий (Круг) расписали первый иконостас храма. С 1931 года при храме действовало издательство, выпускавшее духовную литературу. В 1946 году храм получил статус кафедрального собора Западноевропейского экзархата Русской Православной Церкви.
В 1958 году старое здание было снесено, и храм переместился в новое строение на том же месте. По условиям владельцев земли, внешний вид здания не должен был указывать на его сакральное назначение. Интерьер новой церкви, выполненный в русском стиле, украсили фресками и иконами работы Леонида Успенского и монаха Григория (Круга). Работы завершились к 1960 году.
С 4 декабря 2016 года, после освящения Свято-Троицкого собора в Париже, храм Трех Святителей сохранил статус кафедрального, но основные функции перешли к новому собору. Богослужения в храме совершаются ежедневно на церковнославянском языке.