История храма начинается с деревянной церкви в старообрядческом подворье у «Торгового Места» Томска, к юго-западу от Богоявленского собора. Подворье было основано в конце XVIII в. старообрядцами, переселенными в Томск по Указу императрицы Екатерины II с уральской реки Керженец.
Храм построен для старообрядцев-единоверцев, признававших иерархическое подчинение Синодальной церкви, по инициативе первого томского архиерея, Преосвященного Агапита (Вознесенского), обратившегося с призывом к православным верующим в марте 1836 года.
В 1841 году начался сбор средств на строительство Троицкой единоверческой церкви, закладка которой состоялась в 1844 году.
С 1892 году при храме существовало церковно-приходское попечительство.
В 1912 году прихожан в храме насчитывалось обоего пола до 650 человек.
В 1920 году храм был национализирован и передан верующим по договору, церковь осталась единоверческой .
В конце 1920-х годов единоверческая община (около 66 человек) присоединилась к Московской Патриархии.
В декабре 1936 года к храму была определена властями Никольско-Воскресенская община ориентации Московской Патриархии из закрытой Воскресенской церкви . Из-за различия в обрядах две общины не смогли пользоваться храмом без конфликтов. Стал вопрос о разделении храма на две части: правый придел остался за единоверцами, центральный храм и левый придел отошли к Никольско- Воскресенской общине .
В 1937 году был арестован и расстрелян возглавлявший общину Епископ Серафим (Шамшев). Та же участь постигла практически все томское духовенство. Богослужения прекратились. Обе общины Троицкой церкви стали распадаться.
В 1938 году церковное здание было временно передано под склад «Заготзерно».
27 сентября 1939 года Томский Горсовет принял решение о закрытии Троицкой церкви.8 февраля 1940 года это решение было утверждено Новосибирским облисполкомом.
В декабре 1940 года здание было передано артели «Рационализатор».
В 1945 году перед Томским облисполком верующие возбудили ходатайство об открытии в городе второго храма, гак как им до недавно открытой Петропавловской церкви было трудно добираться из отдаленных частей города. Ходатайство поддержал Епископ Новосибирский и Барнаульский Варфоломей. Совет по делам Русской Православной церкви при Совнаркоме СССР 29 декабря 1945 года разрешил открыть в Томске Троицкую церковь, и 11 января 1946 года был заключен договор с православной общиной Троицкой церкви.
С 15 февраля 1946 года в храме начались регулярные богослужения.
В настоящее время храм принадлежит Московскому патриархату. В церкви ежедневно совершаются богослужения.