Первый деревянный храм города в честь Святой Троицы был заложен 16 (29 по новому стилю) мая 1703 года по повелению императора Петра I и освящен 10 июля 1711 года. Автор проекта — Доменико Трезини.
В первые годы существования Петербурга Троицкая площадь являлась его центром, а храм имел статус кафедрального и именовался Петровским Свято-Троицким храмом. Здесь Петр I принял титул Российского Императора.
В 1750 г. деревянный храм сгорел и на его месте в 1756 году был построен каменный, который впоследствии перестраивался и был разрушен большевиками в 1933 году.
Современный храм-часовня построен на Троицкой площади, в сквере на пересечении Каменноостровского проспекта и Петровской набережной, рядом с Петропавловской крепостью у Троицкого моста. Строительство осуществила Балтийская строительная компания по проекту архитектурного бюро «ЯК» (авторский коллектив: А. И. Кицула, А. В. Михалычев, Г. А. Рыбаков), одержавшего победу в открытом конкурсе на лучший проект храма-часовни в память о первом православном храме Санкт-Петербурга.
Храм-часовня освящен 28 мая 2003 года, в честь 300-летия основания города. Чин освящения совершил митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир в сослужении с духовенством епархии.