Церковь построена в 1924 году белогвардейскими эмигрантами в Белграде, которые приехали после Октябрьской революции, а также благодаря финансовой помощи сербского правительства и семьи Карагеоргиевичей.
Руководил строительством архитектор Валерий Сташевский. В основании церкви положена пядь земли, специально привезённая из России. В 1929 году в храме перезахоронен руководитель белогвардейского движения генерал Врангель, умерший годом ранее в Брюсселе. В церкви до 1944 года хранились боевые знамёна Наполеона и османской армии, взятые в плен российской армией.
В апреле 1945 года причт и община Свято-Троицкой церкви были приняты каноническое и евхаристическое общение с Московским Патриархатом.
В 1946 году храм получил статус Подворья Русской Православной Церкви в Белграде и находился в составе ставропигиального благочиния русских православных приходов на территории Югославии. В 1954 году решением Священного Синода Русской Православной Церкви благочиние было упразднено, и все входившие в него храмы, кроме Троицкого в Белграде и приписанной к нему Иверской часовни на Русском кладбище, были переданы в юрисдикцию Сербской Православной Церкви.
В 1957 году Подворье посетил Патриарх Московский и всея Руси Алексий I и совершил в нём Божественную литургию.
Храм находился в непосредственной близости от здания Белградского телевизионного комплекса, ставшего в 1999 году в ходу войны НАТО против Югославии одной из мишенью для боевых самолетов НАТО. Во время ракетного удара по телекомплексу погибли 18 его сотрудников, а обломки здания и осколки ракет серьезно повредили православный храм[3]. В 2000 году началось его
восстановление.
25 марта 2007 году митрополит Митрополит Смоленский и Калининградский Кирилл (Гундяев) совершил освящение восстановленного храма.
4 октября 2013 года храм посетил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл, прибывший в Сербскую Православную Церковь для участия в торжествах по случаю 1700-летия Миланского эдикта.
