(1-я Останкинская улица, дом № 7, строение 2).
Село Останкино известно с XVI века. С 1617 г. имение было во владение князей Черкасских, при них выстроили церковь в честь праздника Святой Троицы. В 1743 г. село перешло в род Шереметевых в качестве приданного В.А. Черкасской, ставшей женой графа П.Б. Шереметева. В роду Шереметевых Останкино находилось вплоть до 1917 г. Каменный храм возводили в 1677—1692 гг. При этом в деревянной церкви продолжали совершать богослужения. Первым освятили северный придел Тихвинской иконы Божией Матери (8 февраля 1683 г.), вторым — южный придел преподобного Александра Свирского (1 августа 1691 г.). В июне 1692 г. освятили главный престол в честь Святой Троицы. Об этом гласили надписи на деревянных крестах, находившихся под престолами. В настоящее время в музее-усадьбе сохранился только один крест из южного придела.
Церковь представляет собою первоклассный памятник московского церковного зодчества последней трети XVII века, образец «русского узорочья». Она является традиционным для XVII столетия типом бесстолпного храма с сомкнутым сводом на подклете. Снаружи свод чередою кокошников устремляется к пяти тонким барабанам с куполами. Пятиглавие выглядит почти декоративно, однако барабаны являются световыми, что весьма редкий случай в архитектуре этого времени. Два придела также перекрыты сомкнутым сводом и завершены каждый одной глухой главой. Высокий подклет использовался как подсобное помещение, но в конце XIX века в нем устроили зимнюю церковь с престолом во имя святителя Николая. В Троицкой церкви отсутствует типичный элемент приходских храмов XVII века — трапезная, так как в ней не было необходимости. С западной стороны храм имеет галерею, на которую ведут три крыльца. Самое красивое крыльцо, расходящееся на два схода, обращено на южную сторону, к пруду. Из гульбища в храм ведут красивые перспективные порталы. Особенно пышно украшен центральный портал, расположенный по оси главного входа из-под колокольни. Церковь сложена из красного большемерного кирпича с небольшими включениями белого камня и поражает обилием и разнообразием четко профилированного декора, плотно покрывающего плоскость стен. Ряды кокошников, сложные карнизы, составленные из «шишек» и балясин, колонки, кубовидные и короновидные наличники и киоты набраны из разнообразных объемных элементов, то очень измельченных, то крупных. Все это создает впечатление радостного убранства. Главный иконостас создан одновременно с храмом и с незначительными изменениями и поновленнями сохранился до наших дней.
Некоторые иконы местного чина были перенесены из старой церкви: храмовый образ Ветхозаветной Троицы (1654 год) и написанное в 1671 г. царским мастером Иваном Максимовым икона «Распятие Христово». В иконостасе девять ярусов с венчающим Распятием. Интересен самый нижний ряд с изображением «еллинских мудрецов» Орфея, Истоика, Фулидоса и Аполлона с изречениями о Христе на свитках в руках. Интересны также два верхних яруса с шестнадцатью изображениями «Страстей Христовых» конца XVII века — самый полный из всех до сих пор известных циклов на эту тему в иконостасах. Они выполнены во многом с образцов — лицевых Библий Пискатора и Вейгеля, а также Рубенса и Тициана.
К северо-востоку от храма в 1790-е гг. возвели грандиозный дворец, один из шедевров русского классицизма. Сочетание храма с дворцом усилило красоту этого уникального ансамбля. Вероятно, тогда вместо звонницы XVII века на ее основании возвели двухъярусную колокольню в стиле классицизма, завершенную ротондой со шпилем. В 1840 г. появились новые иконостасы в приделах Тихвинской иконы Божией Матери и преподобного Александра Свирского, а вся церковь была расписана дворовым человеком графа Д.Б. Шереметева — Н.И. Подключниковым. В 1856 г. перед прибытием во дворец Шереметева императора Александра II иконостас обновили под наблюдением архитектора М.Д. Быковского. Шатровые верхи крыльца и колокольни, утраченные в 1790-е гг., реконструировал в 1878—1880 гг. один из первых русских архитекторов-реставраторов Н.В. Султанов. Тогда же была сделана настенная роспись паперти.
В 1919—1935 гг. богослужения совершались в приделе святителя Николая. Затем храм закрыли, и его использовали под выставочный зал музея-усадьбы Останкино. 23 марта 1991 г. вновь освятили престол в честь Живоначальной Троицы, 31 декабря 1994 г. — южный придел во имя преподобного Александра Свирского, 14 августа 1996 г. — северный придел в честь Тихвинской иконы Божией Матери. На протяжении нескольких лет в Троицком храме находилось подворье Свято-Введенского монастыря Оптина Пустынь, а с 1999 г. — Патриаршее подворье.