В 1642 году возле Студенца была заложена деревянная церковь в честь Святой Троицы. Она располагалась в Пушкарской слободе, определившей второе название церкви: Троицко-Пушкарская (ныне это место пересечения ул. Советской и Московской).
Во второй половине XVIII века уже упоминается двухэтажная деревянная Троицкая церковь. В 1771 году вместо обветшавшей деревянной церкви была построена двухэтажная каменная церковь. Отсутствуют описания архитектурных достоинств или недостатков новой церкви, но сохранились отрывочные свидетельства о том, что вид каменного храма в течение многих лет радикально менялся за счет многочисленных пристроек. Общая композиция церкви создавалась постепенно в течение десятилетий.
Со временем в сводах боковых пристроек обнаружились трещины, храм был полностью разобран, а на его месте появился новый — величественный, пятиглавый. Строительство храма осуществлялось в 1846 году на средства прихожан и крупные вклады тамбовских купцов; Малина, Жемарина и Мандрыкина. Эти годы были временем широкого церковного строительства в Тамбове, осуществлявшегося под непосредственным руководством епископа Тамбовского и Шацкого Николая. Архитектура нового храма соответствовала русско-византийскому стилю, повсеместно принятому в России.
Новый храм имел три престола — в честь Святой Живоначальной Троицы, Рождества Пресвятой Богородицы и Святителя Николая.
Как священная реликвия в Троицкой церкви хранилась древняя икона Николая Чудотворца. Помощь и заступничество Святителя Николая Чудотворца снискали ему особое почитание среди верующих, поэтому множество церквей и приделов Тамбовщины были освящены во имя этого святого. Освящал новый придел во имя своего Небесного покровителя епископ Тамбовский и Шацкий Николай. Все эти обстоятельства обусловили еще одно название церкви — Никольская.
Церковь была построена по образцовым проектам 40-х годов XIX столетия — огромная, монументальная, с массивной главой и многоярусной колокольней. Сразу же после постройки она стала главной доминантой старого городского района.
В сентябре 1933 года по решению горсовета Троицкая церковь была обследована для определения ее технического состояния и имущества. С этого времени договоры с церковными общинами на использование здания для богослужений больше не возобновлялись. В 1938 году Троицкая церковь была официально закрыта, а в 1941 году здание было передано гороно для использования в качестве строительного материала.
Истории Троицкой церкви не хватило до своего трехсотлетия только одного года.