Каменная церковь выполнена в стиле «аннинского барокко» по проекту зодчего Ивана Бланка — автора фонтанов «Шахматная гора» и «Римские фонтаны» в Петергофе. Сама императрица Анна Иоанновна выделила из своих личных средств 350 рублей на строительство — по тем временам сумму очень и очень весомую. Строительство каменного храма относят к 1733-1735 годам.
Церковь выглядит очень изящно. Ее украшает колокольня со шпилем высотой около 32 метров. На колокольне имелось десять колоколов. Большой колокол весил 2,68 тонны и был отлит в 1764 году. Современный большой колокол был отлит в 2002 году. Стены и своды храма украшены расписными орнаментами. В храме находится высокий пятиярусный иконостас белого цвета с золочёными украшениями. В настоящее время иконостас поэтапно восстанавливается. Действует только центральный придел.
В 1851—1854 годы по проекту архитектора А. И. Резанова церковь была перестроена и расширена. В 1854 году территория храма была обнесена оградой, в юго-западной части которой по проекту архитектора А. И. Резанова была устроена каменная часовня.
В январе—феврале 1928 года приход храма поддерживал Иосифлянское движение. В 1937 году весь клир был расстрелян, богослужения прекращены и возобновлены лишь в феврале 1942 года.
Официально храм был закрыт по постановлению Леноблисполкома в 1938 году. Здание было переоборудовано под тюрьму, находившийся в нём до начала Великой Отечественной войны. Каменная часовня в ограде была снесена.
В феврале 1942 года, вскоре после вступления немецких войск в Красное Село, Троицкая церковь была открыта и богослужения в ней проводились до конца 1943 года. Храм пострадал в начале 1944 года во время контрнаступления советских войск.
В 1960 году здание было приспособлено под Дом культуры: были снесены купол и верхний ярус колокольни.
В декабре 1994 года была образована православная община, которая, по разрешению администрации Дома культуры, стала частично использовать здание. Малое освящение храма состоялось 25 января 1995 года.
Полная передача храма приходу состоялась в 1998 году, после чего начались реставрационные работы: в 1996—1998 годах была полностью восстановлена колокольня, позднее — алтарные апсиды, а в 2002—2003 годах — купол.
В 1995 году Троицкая церковь была включена в число объектов исторического и культурного наследия, как памятник архитектуры федерального значения.