Świątynię na Solcu w 1726 wyświęcił biskup kijowski Samuel Ożga.
Murowany budynek klasztoru wzniesiono w latach 1773–1779.
Represje, jakie spadły na Kościół katolicki w Polsce po powstaniu styczniowym, dotknęły również zakon ojców trynitarzy, który wraz z innymi zakonami został rozwiązany ukazem carskim z 1864 roku. Zakonnikom pozwolono jedynie mieszkać na terenie klasztoru do śmierci ostatniego z ojców. W 1887 roku kościół Świętej Trójcy w trosce o dobro duchowe wiernych przejęła władza diecezjalna.
W latach 1881–1883 dobudowano do kościoła nową fasadę, wydłużając nawę od strony ulicy.
W 1904 roku zbudowano kaplicę Serca Jezusowego.
W 1939 kościół został znacznie uszkodzony, ponieważ w wyniku ostrzału zawaliły się dach część sklepień. Kościół został prawie całkowicie zniszczony podczas powstania warszawskiego w 1944. Odbudowa trwała do lat 60. XX wieku.
W latach 1980–2015 w klasztorze mieściło się Muzeum Archidiecezji Warszawskiej.
26 sierpnia 2017 kościół i parafia decyzją kardynała Kazimierza Nycza zostały przekazane karmelitom bosym.
Wnętrze Figura Jezusa Nazareńskiego znajdująca się w kościele od 1726 roku.