Троицкая церковь была построена в историческом Норском посаде (на тот момент в состав Ярославля не входил) на месте древней деревянной церкви Николая Чудотворца. Строительство каменного храма началось в 1745 году и было завершено в 1749. В 1896 году церковь была значительно перестроена, расширена, получила пятиглавие, оформление фасадов в древнерусском стиле и печное отопление во всех помещениях. Работы по перестройке были профинансированы купцом и благотворителем, владельцем Норской мануфактуры Николаем Константиновичем Прохоровым. Центральный барабан храма — световой, перекрытый куполом, угловые барабаны глухие, увенчаны декоративными главами. Силуэт и внешнее оформление фасадов церкви имеют непосредственные отсылки к ярославской школе церковного зодчества XVII века.
В 1930-е годы храм был закрыт, главы сняты, снесена колокольня, здание использовалось под производственный цех. В 1995 году здание возвратили церкви, начались реставрационные работы, завершившиеся уже в 2000-х годах.