Название «в Полях» было дано храму в XV—XVI веках, когда здесь происходили судебные поединки на трёх специально отведенных для этого участках, называемых «полями». Церковь «Старая Троица» впервые упомянута в 1493 году в Никоновской летописи.
В 1566 году была построена каменная церковь. Несмотря на поздние перестройки, сохранялись первоначальные крещатые своды. В 1657 году боярин М. М. Салтыков (племянник матери царя Михаила Феодоровича) пристроил три придела: Николая Чудотворца, Бориса и Глеба, Смоленской Богоматери. Между 1659 и 1664 годами на кладбище Троицкого храма князь И. А. Воротынский построил церковь преподобного Сергия (впоследствии на её месте осталась часовня).
В 1827 году устроен придел преподобного Сергия вместо разобранной отдельной церкви Сергия, стоявшей с 1664 года на месте, где был установлен на месте престола столб, а затем — часовня. В 1829 году освящён придел Николая Чудотворца.
В 1832 году по проекту архитектора Д.Ф. Борисова церковь была перестроена, вновь построена трапезная и колокольня. В 1856 году вместо Никольского придела был устроен придел Грузинской Богоматери и упразднен придел Бориса и Глеба.
В 1882 году церковь была обновлена.
Церковь Троицы была разрушена в 1934 году. Перед сносом церковь была обследована реставраторами, составившими её обмеры. В ходе исследований были обнаружены детали фасадов первоначальной церкви 1566 года. На её месте был разбит сквер, а рядом, после сноса Китай-городской стены, был поставлен на нынешнее место памятник первопечатнику Ивану Фёдорову с магазином «Книжная находка».
В 1989 году поднимался вопрос о восстановлении церкви Троицы в качестве памятника жертвам советских репрессий. В начале 2000-х годов, в ходе строительства торговых помещений и подземной автостоянки, фундаменты церкви Троицы в Полях были раскрыты археологами и музеефицированы. Вокруг фундаментов — фрагменты нескольких надгробий XVI-XVII веков.