Деревянный храм Святой Живоначальной Троицы в Хохлах известен как приходской с 1625 г. Каменный был заложен 14 апреля 1696 года и выстроен в стиле «московского барокко». В ХVIII в. была построена колокольня. В 1722 г. был возведен придел Владимирской иконы Божией Матери, а в 1757 г. — придел святителя Димитрия, митрополита Ростовского, ныне упраздненный.
 
В 1812 году, после разграбления французами, храм долго и тяжело восстанавливался. В 1822 году заново освятили придел в честь св. Димитрия Ростовского.
 
В 1935 году храм был закрыт и передан институту антропологии; барочный иконостас, иконы были утрачены (часть Троицкого иконостаса сохранилась в запасниках Новодевичьего монастыря). Затем храм использовался как помещение института геофизики и инженерно-информационного центра Техоргнефтегазстроя. Реставрация храма проводилась в 1960-1970-х годах.
 
Восстановление храма началось с 1992 года после его передачи братству св. князя Владимира. Великое освящение храма совершил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл в 2010 году.