Церковь Живоначальной Троицы — самое старое здание усадьбы Останкино, давно вошедшей в состав Москвы. Нарядный храм из красного кирпича возвышается на берегу пруда, за ним виднеются белые стены и колонны Останкинского дворца. Ещё в XIX веке останкинская церковь была признана классическим памятником старинной русской архитектуры, на неё ориентировались архитекторы, работавшие в модном тогда русском стиле.
История храма тесно связана с историей усадьбы Останкино. Село, первоначально носившее название «Осташково», известно с середины XVI века. В 1580-х годах его очередной владелец, думный дьяк Василий Щелкалов, построил здесь деревянный господский двор с церковью. После Смутного времени имение стало вотчиной князей Черкасских. Согласно описи, составленной в 1623–1624 годах, к тому времени храм не действовал, а дома церковных служителей были разрушены. Вскоре владелец имения построил новую деревянную церковь, которая простояла несколько десятилетий.
Князь Михаил Яковлевич Черкасский, влиятельный придворный сановник и богатейший землевладелец, решил выстроить в своей подмосковной резиденции каменную церковь. В 1677 году он получил грамоту на возведение храма в честь Живоначальной Троицы с приделами Тихвинской Богоматери и преподобного Александра Свирского. Вероятно, строительство было в целом окончено к 1683 году, когда освятили северный Тихвинский придел. Завершение работ и создание внутреннего убранства потребовали больше времени. Придел преподобного Александра Свирского был освящён только в 1691 году, а главный Троицкий престол — в 1692 году.
Зодчий останкинской церкви неизвестен, но исследователи архитектуры считают, что им был крепостной мастер Павел Потехин, выполнявший многие задания князя Черкасского. Бесстолпный четверик храма поставлен на высокий подклет и увенчан пятью стройными главами на высоких постаментах, причем все главы — световые, то есть открыты внутрь храма. Четверик храма и одноглавые боковые приделы, которые внешне выглядят как самостоятельные объемы, завершены ярусами кокошников. Главный храм и приделы имеют по одной алтарной апсиде. С трёх сторон церковь опоясана крытой галереей-гульбищем, которая выполняет функции паперти. На гульбище можно подняться по трём наружным лестницам: с севера и юга поставлены два крыльца, над западным входом возвышается колокольня. Вероятно, колокольня достраивалась позднее, потому что вместо традиционного шатра над ярусом звона поднимались два барочных восьмерика и шпиль.
Фасады останкинского храма сплошь покрыты резным кирпичным декором со вставками из белого камня и изразцами. Полагают, что живописная композиция и пышный декор останкинского храма были вдохновлены такими более ранними памятниками русского узорочья, как церковь Троицы в Никитниках и церковь Казанской Богородицы в подмосковном селе Маркове, которую строил князь Яков Одоевский — тесть князя Черкасского.
Внутри храма внимание привлекали резные порталы и иконостасы, выполненные в нарышкинском стиле. Центральный иконостас состоит из восьми ярусов, но от первоначальной композиции осталась лишь его нижняя часть, украшенная пышной золочёной резьбой. Под иконами местного ряда находились изображения «еллинских мудрецов» — Орфея, Истоика, Фулидоса и Аполлона. Более скромными иконостасами были украшены приделы. Северный, Тихвинский, придел служил домовым храмом владельцев имения, в южном приделе молились прихожане из простонародья.
Церковь Живоначальной Троицы неоднократно ремонтировалась и обновлялась, хотя перемены касались главным образом внутреннего убранства. После того как усадьба в 1743 году перешла к новым владельцам, Шереметевым, они приняли на себя попечение о церковном благолепии. Главный иконостас был переделан в XVIII веке, к этому времени относится и большинство сохранившихся икон. В 1830-х годах в Тихвинском приделе установили новый иконостас в стиле ампир, в котором, однако, осталось несколько старинных икон. В 1840 году стены храма расписал крепостной художник Иван Подключников. Эти росписи дошли до нас со следами многочисленных более поздних поновлений.
Граф А.Д. Шереметев в 1875 году выделил средства на проведение научной реставрации храма как памятника старинного зодчества. Работами руководил архитектор А.К. Серебряков, которого консультировал известный знаток старинной русской архитектуры — архитектор и реставратор Н.В. Султанов. Стены храма освободили от нескольких слоев красок, починили выветрившуюся кирпичную кладку и украшения из белого камня, восстановили утраченные наличники. Руководствуясь своими представлениями о том, как должны выглядеть храмы XVII века, Султанов распорядился разобрать барочный верх колокольни и построить вместо него более «традиционный» шатёр. Тогда же появился небольшой шатёр над южным крыльцом. Восстановленный в таком виде храм был признан классическим образцом старинной архитектуры. Ценитель русской старины граф С.Д. Шереметев назвал его «лучшим Останкина украшением».
После революции 1917 года церковный приход испытывал финансовые трудности. Вероятно, из-за этого богослужения стали проводить в подклете, где освятили придел во имя святителя Николая Чудотворца. В 1933–1934 годах храм был закрыт. Вскоре его передали музею-усадьбе «Останкино», благодаря чему сохранились здание, значительная часть убранства и даже старинные колокола. Музей разместил в церкви хранилище фондов и кабинеты администрации.
После реставрации интерьера здесь стали проходить концерты духовной музыки. В 1991 году в церкви возобновились богослужения. До 1999 года храм служил подворьем Оптиной пустыни, ныне он является приходской церковью.
