О времени возникновения первой церкви в Красном Селе высказываются разные предположения. Достаточно убедительной выглядит версия А. А. Краснова, что после основания бумажной мельницы и начала переселения крестьян на эти земли в 1714–1715 годах для исполнения религиозных служб примерно в 1725–1727 годах существовавшая здесь лютеранская кирха была переосвящена и переустроена под Екатерининскую православную церковь. К 1732 году здание церкви сильно обветшало. В годы правления императрицы Анны Иоанновны (1730–1740) была выстроена новая — каменная церковь во имя Живоначальной Троицы с приделом св. Екатерины (в память о старой Екатерининской церкви). Строителем и, вероятно, автором проекта нового храма был Иван Яковлевич (Иоганн Фридрих) Бланк, ученик М. Г. Земцова. К основному зданию церкви примыкали трапезная и трехъярусная колокольня, увенчанная шпилем. Внутреннее убранство храма было достаточно богатым и включало иконостас в стиле барокко.

С колокольни Троицкой церкви зимой 1779–1780 года изобретатель-самоучка И. П. Кулибин показывал Г. А. Потемкину работу своего фонаря-прожектора. В 1783–1784 году писатель, архиепископ Вениамин (Краснопевков), сын настоятеля Красносельской церкви, пожертвовал в нее Евангелие и священные сосуды. Почитались в храме два образа Пресвятой Троицы: один (над Царскими вратами) — второй половины XVIII века, другой — «древней греческой живописи». Церковь была «холодной», в зимнее время не отапливалась, появившиеся в начале XIX века проекты устройства теплого придела остались неосуществленными.

После включения Красного Села в состав удельных земель в 1819 году церковь была перестроена. В частности, в юго-восточной части, на месте Свято-Екатерининского придела появился теплый придел во имя свв. праведных Симеона Богоприимца и пророчицы Анны. Образ святого Симеона с Предвечным Младенцем был обретен 11 мая 1800 года близ дороги из Павловской слободы Красного Села в столицу. Образ был перенесен в Свято-Троицкую церковь, позже украшен серебряным окладом с бриллиантами и драгоценными камнями, он особенно почитался в Красном Селе.

Важнейшим этапом в истории Свято-Троицкой церкви стала ее капитальная перестройка по проекту А. И. Резанова в 1851–1854 годах, в результате чего здание приобрело облик, который существенно не менялся до 1939 года. В ходе работ храм был значительно расширен. От постройки Бланка уцелели только трапезная с колокольней и алтарные апсиды. Новый кирпичный купол был поставлен на барабан, что увеличило высоту подкупольного пространства. Практически везде деревянные перекрытия были заменены кирпичными сводами. Были сделаны карнизы, наличники, заполнения оконных и дверных проемов из сосны. Главный пятиярусный иконостас также был полностью переделан, заново исполнен золоченый резной декор. Перестройка колокольни включала устройство нового купола, главки и шпиля с крестом.

В 1853 году церкви был пожертвован серебряный вызолоченный крест с 69 частицами различных святынь. В 1860-е годы в память о победах русского оружия в храме появились образ Спаса Нерукотворного, пожертвованный императором Александром II в память покорения Кавказа, и три бунчука (древко с элементами власти у кочевых народов), доставшихся при взятии в июне 1864 года кокандского укрепления Аулиотты (Аулиэтты).

Троицкая церковь являлась центром Красного Села. По проекту А. И. Резанова перед главным фасадом была устроена площадь. На церковном дворе располагались фруктовый сад, причтовые дома с хозяйственными постройками, а также кладбище, но оно было упразднено, поскольку находилось близко к императорским дворцам.

В октябре 1939 года церковь официально была закрыта и переоборудована под Дом культуры. Двумя годами ранее священнослужители храма были арестованы, а затем расстреляны. Во время Великой Отечественной войны с сентября 1941-го по январь 1944 года Красное Село находилось в зоне немецкой оккупации. По решению немецкого командования, как и во многих других оккупированных населенных пунктах, богослужения в храме возобновились. В начале 1944 года при наступлении советских войск церковь частично была разрушена артиллерийским огнем. Еще в 1942 году взрывной волной снесло шпиль колокольни, здание пострадало от пожара.

С 1948 года проводились работы по восстановлению и перестройке здания храма под Дом культуры, что сопровождалось искажением его исторического облика. В 1950-е годы был полностью разобран купол с барабаном, снесен верхний ярус колокольни со шпилем, утрачены часы на ней, была заложена большая часть оконных и дверных проемов, сбит декор, уничтожены алтарные апсиды, а на их месте были возведены двухэтажные подсобные помещения. От постройки Бланка сохранилась только трапезная, от перестроек А. И. Резанова — северная и южная стены основного объема, западный фасад и частично система перекрытий. Интерьеры церкви были полностью перепланированы. В притворе возникла касса, в трапезной — танцплощадка. Основной объем бывшей церкви превратился в зрительный зал со сценой и балконом.

В 1990 году было принято решение о проведении в здании ремонтно-реставрационных работ. До возвращения храма приходу предусматривалось устройство в нем лекционно-концертного зала. С 9 ноября 1994 года здание использовалось совместно Домом культуры и епархией. Регулярные богослужения возобновились с 12 января 1996 года. В 1996–1998 годах была воссоздана колокольня, отделан западный фасад, обращенный к шоссе, к 2002 году вернулись алтарные апсиды и купол. Таким образом, храму была возвращена его первоначальная композиция. С 1995 года церковь является объектом культурного наследия федерального значения.