Церква Святої Трійці одна з найстаріших церков Одеси. У 1795 році митрополитом Катеринославським і Таврійським Гавриїлом (Банулеско-Бодоні) було закладено перші чотири церкви, одна з них «в іменування Святої Трійці для різночинців грецької нації на грецькому форштаті». Спочатку це була дерев’яна церква, а 29 червня 1804 року відбулося урочисте закладення кам’яного храму. Храм був побудований за проектом архітектора Ф.Фраполі і навесні 1808 року урочисто освячений. Першим настоятелем Свято-Троїцького (грецького) храму був протоієрей Іоанн Родесу. 1838 року його турботами храм розширився двома межами, який набув остаточної хрестоподібної форми у візантійському стилі з одним куполом і дзвіницею зі шпилем. Праву межу церкви 31 березня 1840 року було освячено на пам’ять Благовіщення Пресвятої Богородиці. 
Бічні межі в наш час зазнали змін: південна межа іменується на честь Покрова Пресвятої Богородиці, а північна — на честь ікони Божої Матері, іменованої «Нечаянна радість», і святителя Спиридона Триміфундського, чудотворця. На початку XIX століття грецька церква Святої Трійці була духовним центром греків-патріотів. Греки Одеси гаряче підтримували боротьбу за незалежність народу Греції. Повстання, що почалося 1821 року, призвело до того, що турецька влада стратила вселенського Константинопольського патріарха Григорія V, боячись його впливу на повсталих греків. Викинуте в море тіло патріарха виявили російські моряки і привезли його в Одесу. Останки патріарха-мученика було поховано у Свято-Троїцькій (грецькій) церкві. 
Окрім цього, у храмі та поблизу нього було поховано грецьких архиєреїв, які померли в різний час. У травні 1907 року біля східної стіни храму в спеціальній прибудові було поховано благодійника і громадського діяча, одного з найвизначніших членів грецької громади, почесного громадянина міста Одеси Григорія Григоровича Маразлі. 1900-1908 р.р. храм реконструйовано під керівництвом архітектора А. Тодорова.У період більшовицького гоніння на Церкву храм було закрито, приміщення його перетворено на спортзал, розграбовано численні поховання. Після Великої Вітчизняної війни починається новий етап в історії Свято-Троїцького (грецького) храму. Церкву було обезголовлено (без купола і дзвіниці), треба було багато зробити з її відновлення. 
1954 року при Свято-Троїцькому (грецькому) храмі засновується подвір’я Олександрійського патріарха в Російській православній церкві. За затвердженим положенням, богослужіння відбувалися грецькою та церковно-слов’янською мовами, а всі екзархи, при цьому, були громадянами Греції. Подвір’я Олександрійської православної церкви проіснувало до 1 квітня 1999 року, після чого, перенесено з Одеси до Москви, а Свято-Троїцькій (грецькій) церкві повернуто статус міського храму Одеської єпархії Української православної церкви.
У середині 90-х років XX століття над храмом засяяв новий купол і струнка дзвіниця, тривають відновлювальні роботи. У храмі є шанований образ Божої Матері «Нечаянна радість», перед яким за усталеною традицією щоп’ятниці ввечері відбувається акафіст Пресвятій Богородиці. У храмі діють недільні школи для дорослих і дітей. Є парафіяльна бібліотека.