Сооружение небольшого здания Трехсвятительской церкви приписывается архитектору Д. Трезини. Церковь была заложена в 1740 году и освящена в 1760 году. Расположенная рядом с Андреевским собором и также обращенная главным фасадом на 6-ю линию, она предназначалась для служб в зимнее время, так как стоявшая в то время на месте собора деревянная церковь не отапливалась.
Объемно-пространственное решение здания церкви отличается простотой. Прорезанные небольшими окнами фасады обработаны плоскими пилястрами, поддерживающими карниз сложного профиля. Интересны и характерны для русской архитектуры середины XVIII века разнообразные по форме наличники окон с лучковыми и полуциркульными перемычками.
Ризалиты на фасадах с высокими фронтонами над ними отмечают северный, южный и западный (главный) входы. С восточной стороны здание завершается большой трехгранной абсидой. Над двускатной крышей возвышается восьмигранный барабан, увенчанный небольшим куполом. Своеобразие объемного решения делает здание Трехсвятительской церкви несколько необычным, но интересным примером русской культовой архитектуры XVIII века.
Внутри здание разделено на три нефа мощными столбами, поддерживающими коробовый свод в среднем нефе и крестовые своды — в боковых. До 1897 года в церкви существовал живописный плафон. При ремонте церкви он был закрашен.
Рядом с Трехсвятительской церковью расположен дом Троекуровых — ценнейший памятник русской гражданской архитектуры начала XVIII века.