Расположен рядом с Речным вокзалом, недалеко от Успенского собора. Строительство каменного храма в честь Живоначальной Троицы началось в неурожайный 1734 год на средства местных купцов Матвея и Алексея Арефьевых, которые, дабы поддержать голодающих, дали им работу. Стоявшую на этом месте деревянную Троицкую церковь разобрали и свезли в село Бор Тверского уезда. Новый храм Троицы с оштукатуренными кирпичными стенами и белокаменным фасадным декором был освящён в 1737 году.

В 1795 году храм окружили каменной оградой. Расписана Троицкая церковь была только в 1817 году, а в 1840 году фрески переписали заново. В 1847-1848 годах по проекту И.Ф. Львова был устроен южный придел храма.

Последние капитальные работы по реконструкции храма были проведены в 1875-1880 годах на средства церковного старосты купца С.Ф. Шлыгина. Была расширена трапезная, переделаны её крыльцо и своды, и заново расписаны ее стены и своды, а также заменен иконостас главного престола.

В советское время храм был закрыт, в 1930-х годах снесли главку и шатровое завершение колокольни, а здание отдали под ремонтные мастерские. В колокольне разместилась фотостудия.

В 1986-1991 годах при реставрационных работах был восстановлен шатер колокольни, позолочена вновь поставленная главка. Купола именно этого храма были позолочены впервые за годы советской власти.

27 сентября 2005 года был восстановлен крест на куполе. Освящение креста на купол совершил клирик храма Воскресения Христова (Трех Исповедников) иерей Андрей Егоров.

В 2010 году храм был передан Русской Православной Церкви, начата его реставрация.