Свято-Троицкая православная церковь в Караколе была основана в 1869 году при военном гарнизоне, переведенном из Аксуйского укрепления. Первоначально богослужения проводились во временной войлочной церкви, перевезенной вместе с гарнизоном. В 1870 году войлочные стены заменены деревянными, а в 1876 году построен храм из сырцового кирпича, освященный архиепископом Софонией в честь Святой Троицы.
В 1889 году храм был полностью разрушен Чиликским землетрясением. Современное здание церкви возведено в 1895 году на сохранившемся кирпичном цоколе по проекту инженеров из города Верного (ныне Алматы). Строительство осуществлено на средства казны и пожертвования прихожан, значительный вклад внесла семья купцов Масликовых.
Церковь представляет собой трехнефное деревянное сооружение с прямоугольной апсидой. Первоначальный проект предполагал форму равноконечного креста, но в процессе строительства здание приобрело прямоугольно-ломанную конфигурацию размером 35,5×18 метров. Архитектурное решение включало пять восьмигранных барабанов с шатрами и колокольню над западным притвором.
В советский период храм был закрыт в конце 1920-х годов. Здание использовалось как детская спортивная школа, танцевальный зал и угольный склад. В годы Великой Отечественной войны церковь временно возвращали верующим, но в 1961 году вновь передали под спортивную школу. В 1986 году начались реставрационные работы под руководством Г.С. Ковтуна.
В 1992 году здание возвращено православной общине. К 1995 году завершены основные восстановительные работы, включая воссоздание колокольни, куполов и деревянной резьбы. В храме сохраняется список Тихвинской иконы Божией Матери, датируемый 1897 годом, а также мощи святых мучеников Прома, Тараха и Андроника.