Основанная в 1734 году архимандритом Варлаамом (в миру Василий Антипьевич Высоцкий), настоятелем Троице-Сергиевой лавры и духовником императрицы Анны Иоанновны, обитель была возведена на месте бывшей приморской дачи Екатерины Иоанновны, сестры Петра I.Указом от 20 ноября 1734 года императрица передала эту дачу в вечное владение Троицкому Сергиеву монастырю и его архимандритам.
12 мая 1735 года архимандрит Варлаам освятил первую церковь обители во имя преподобного Сергия Радонежского. Церковь была деревянной, перенесённой из усадьбы царицы Параскевы Фёдоровны на Фонтанке. Вокруг неё были построены деревянные кельи для братии и каменный флигель для настоятеля.
В период с 1756 по 1760 годы, по проекту архитектора Пьетро Антонио Трезини, келии были перестроены из кирпича, а к 1764 году на углах стен появились башни. В том же году монастырь, где проживало около 20 монахов, отделился от Троице-Сергиевой лавры и стал управляться собственным архимандритом.
В 1762 году, во время дворцового переворота, будущая императрица Екатерина II находилась в Троице-Сергиевой пустыни, где ожидала письменного отречения Петра III от престола.
В последующие годы монастырь продолжал развиваться. В 1763 году архитектор Бартоломео Растрелли завершил строительство собора во имя Святой Живоначальной Троицы. В 1854 году архитектор А. М. Горностаев перестроил церковь преподобного Сергия Радонежского в византийском стиле. В 1884 году был освящён собор Воскресения Христова, построенный по проекту архитектора А. А. Парланда.
К началу XX века в монастыре насчитывалось семь храмов, и проживало около 100 монахов. Обитель также включала в себя школу, приют для странников, бесплатную больницу и дом для инвалидов. Монастырское кладбище стало местом захоронения многих известных деятелей России, включая представителей семей Апраксиных, Мятлевых, Нарышкиных, Чичериных, Строгановых, а также дочерей и внуков Суворова и Кутузова.
После Октябрьской революции 1917 года монастырь был закрыт. В 1919 году обитель была официально упразднена, хотя богослужения в некоторых храмах продолжались ещё около десяти лет. В 1930 году на территории монастыря была размещена школа подготовки начсостава РККА имени Куйбышева. Во время Великой Отечественной войны пустынь находилась на оккупированной территории около двух с половиной лет. В 1964 году на территории бывшего монастыря была открыта средняя школа милиции, что привело к окончательному уничтожению монастырского кладбища.
