Построена в 1861 году по проекту известного московского архитектора М.Д. Быковского на средства надворного советника Е.В. Молчанова. Крупное величественное сооружение храма Троицы на Грязех вместе с несохранившейся церковью Успения на Покровке, стоявшей западнее на той же стороне улицы, в значительной степени определяло облик этого участка Покровки.

Церковь построена с использованием приёмов и образцов архитектуры Ренессанса. Прямоугольный в плане 4-столпный храм с пониженными угловыми ячейками и колонным портиком был завершен монументальным купольным барабаном и высокой многоярусной колокольней над западным притвором. Сохранились пилястровые портики большого ордера, на повышенных ризалитах в центрах восточного и южного фасадов храма, привлекающие внимание совершенством пропорций и пышной отделкой композитных капителей. По верху стен здание опоясано великолепным фризом с насыщенным лепным растительным орнаментом. Интересно решено крыльцо перед главным входом со стороны улицы, представляющее собой небольшую башенку с фигурным завершением. В объём существующего здания вошли части стен церкви XVIII века и более позднего её северного придела.

В 1929 году храм был захвачен представителями так называемых «григорианцев» (образовавшими Временный Высший Церковный Совет — ВВЦС) во главе с лжемитрополитом Борисом (Рукиным). В январе 1930 года храм Троицы был закрыт по решению Моссовета от 20 декабря 1929 года для занятия церкви под зернохранилище. В середине 1950-х годов здание храма было переоборудовано под дом культуры. Купол и колокольня снесены. Внутренний объём здания был разделен перегородками и перекрытиями на множество помещений, помещавшихся на трех этажах. При этом своды северного придела были разрушены и достроен третий этаж. В центральном приделе был устроен киноконцертный зал со сценой на месте Алтаря. В 1979 году на своде бывшего храмя появилась трещина. Дом культуры решено было закрыть и провести капитальный ремонт. В 1980-1981 годах были проведены ремонтные работы и укреплён фундамент. В начале 1990-х годов в здании размещался Центр досуга и отдыха московского областного комитета профсоюзов.

Храм возвращён Русской православной церкви в 1992 году. В 2009 году закончилась реставрация фасадов, но предстоит восстановление колокольни и центрального купола. Идут регулярные богослужения.