Время первоначального основания здесь храма точно не известно, но известно, что в нач. XVIII в. деревянная церковь здесь уже была, потому что значится в описной книге Владимирского кремля за 1625 г. Значились храм "Троицы Живоначальныя" и "храм теплый преподобного Сергия", и "двери царские, и образа, и книги, и сосуды, и колокола"...
1 октября 1719 г. во Владимире произошел страшный пожар, жертвой которого сделалась половина города. Сгорели следующие церкви: Пятницкая, Дмитриевский собор, Борисоглебская, Троицкая, Рождественская, Николо-Кремлевская, Рождественский монастырь, Богословская и Ильинская, монастыри Богородицкий и Сергиевский, сгорело 79 посадских тяглых дворов, гостинный двор и земская изба.
Каменная Троицкая церковь построена в 1740 г. и относится к числу лучших памятников архитектуры XVIII в. во Владимире.
После закрытия церкви в нач. 1930-х гг. и до нач. 1990-х гг. здесь размещался архивный отдел музея.
Богослужение в храме возобновилось в 1993 г.
Здание церкви представляет собой восьмерик на четверике с полукруглой апсидой и помещением трапезной, сложено из красного кирпича, побелено. С северной стороны к основному объему примыкает придел, с западной - высокая трехъярусная колокольня, увенчанная высоким шпилем.
Декоративное оформление выполнено в стиле, характерном для посадских храмов кон. XVII – нач. XVIII вв.