Один из лучших и наиболее известных памятников русской архитектуры 2-й пол. XVII в., величественная церковь Троицы является истинным украшением усадьбы Останкино.
Обратимся к временам, когда Останкино стало вотчиной близких родственников Романовых — князей Черкасских. Тогда, в 1678 г., патриарх Московский и всея России Иоаким благословил князя Михаила Черкасского на строительство новой каменной церкви взамен старой деревянной, стоявшей в его селе и освящённой в честь Троицы Живоначальной. Храм было решено строить на новом месте, потому как на старом «в прошлых годах прошло моровое поветрие, и было множество захоронений».
За год до описанного события М. Я. Черкасский женился на дочери боярина Я. Н. Одоевского — Марфе, и в приданое, помимо прочего, получил крепостного архитектора Павла Потехина, ставшего автором новой церкви. В 1683 г. ближайший к барским хоромам северный придел был освящён во имя Тихвинской Божией Матери, он стал домовой церковью владельцев. Южный придел прп. Александра Свирского освятили в августе 1691 г., а главный престол — спустя год. За время бытования храм дважды подвергался переделкам: в 1830-х гг. под наблюдением крепостного архитектора Прахаева, в 1877–1878 гг. — архитекторами Серебряковым и Султановым.
Павел Сидорович Потехин (1626-кон. XVII в.) — выдающийся русский зодчий, родился в селе Кадницы на Волге в семье кузнеца Сидора Кобякова. Был крепостным знатных родов — Шереметевых, Одоевских, Черкасских. В юности попал в строительную артель, которой покровительствовал князь Д. М. Пожарский. Известен постройками Никольской церкви в Никольском-Урюпино, Казанской церкви в Марково и др. Перестраивал подворье князя Черкасского в Московском кремле: возвёл палаты «на погребах», служебные постройки и два храма.
Бесстолпный храм, поднятый на высокий подклет, окружен гульбищем с трёх сторон. Объём завершён двумя рядами кокошников и увенчан главами на тонких изящных шейках. Пластическое богатство объёму добавляют три по-разному решённые наружные лестницы, ведущие на гульбище. Особенно парадно оформлено крыльцо, обращённое ко въезду в усадьбу. Архитектурные формы здания вполне традиционны для своего времени, однако все части отмечены богатейшей кирпичной декорацией, дополненной белокаменными деталями. Вся плоскость стен покрыта орнаментальным ковром. В интерьерах особо пышно украшены порталы. Стены были расписаны вначале в XVIII, затем заново в XIX в. Особый интерес представляет девятиярусный иконостас, украшенный сквозной высокой золочёной резьбой и колонками, перехваченными кольцами, витые или обвитые резными виноградными лозами. Любопытно, что все эти годы в притворе сохранялся памятник скульптуры испанской школы XVI в. — группа святых. В 1856 г. перед прибытием императора Александра II «для жительства в доме местного владельца и говения в храме села Останкина» иконостас был возобновлён, иконы в нём поправлены.
В 1919 г. приход по бедности спустился из верхних храмов в подклет, где был освящён престол во имя св. Николая. Около 1930 г. советская власть упразднила приход, в храме разместился Антирелигиозный музей искусств. В начале Великой Отечественной войны музей закрыли, а в церковь перенесли ценное имущество из дворца; с тех пор его помещение служило хранилищем. В 1970-е годы началась реставрация иконостасов, стенописи, ремонт кровли и фасадов.
23 марта 1991 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II заново освятил престол в честь Святой Живоначальной Троицы. 31 декабря 1994 г. был переосвящён южный придел св. прп. Александра Свирского, 14 августа 1996 года — северный придел Тихвинской иконы Божией Матери. В настоящее время здесь находится Патриаршее подворье.
