Первые упоминания о храме относятся к 1572 году, когда в приправочных книгах Коломны значится: «Храм Живоначальной Троицы, да тёплый храм Рождества Пречистой Богородицы». Изначально это была деревянная церковь, вокруг которой сформировалась слобода, населённая преимущественно ямщиками. Со временем село слилось с городом, получив название Ямская слобода, а церковь стала известна как Троица на Ямках.
В 1696 году на месте обветшавшей деревянной церкви была возведена каменная пятиглавая церковь в стиле русского барокко. Стены украшала резная кирпичная кладка, а кровлю составляли несколько рядов кокошников. К западу от храма располагалась шатровая колокольня. Впоследствии, при перестройках, кирпичная резьба была удалена, верх четверика перекрыт сводом, а кокошники убраны, и в настоящее время храм венчается одной главой.
В 1816 году колокольню соединили со зданием храма тёплой трапезной, в которой восстановили престолы Илии Пророка и Рождества Богородицы. В 1823 году началось строительство новой колокольни вместо обветшавшей старой. Возведение колокольни завершилось в 1825 году по проекту архитектора Леонтия Карлони. В 1868 году храм был существенно перестроен, в результате чего изменили форму главы и кровли, а саму церковь обнесли железной оградой.
При храме действовала церковно-приходская школа, а с 1902 года — народная библиотека. К храму была приписана часовня Страстной иконы Божией Матери, в которой находился особо почитаемый прихожанами резной деревянный образ Божией Матери, именуемый по названию часовни — «Страстная». После закрытия часовни икону перенесли в Троицкий храм, а когда и его закрыли, икону перенесли в Богоявленскую церковь в Гончарах. В бывшей часовне располагался Дом культуры глухих, а в середине 1970-х годов её снесли.
В советское время храм был закрыт и его здание использовалось как цех по изготовлению горчицы, хрена и крахмала, позже здесь была открыта реставрационная мастерская. Были уничтожены фрески и росписи на стенах, главный алтарь засыпали мусором.
В 1990-х годах здание храма было возвращено Русской Православной Церкви, после чего начались восстановительные работы. В настоящее время Троицкий храм является действующим, в нём регулярно проводятся богослужения. Здание церкви признано объектом культурного наследия регионального значения и находится под охраной государства.
