Świątynia była dwupoziomowa; cerkiew dolna służyła jako grobowiec rodzinny Kiriłłowów, w którym pochowano także Awierkija Kiriłłowa, zamordowanego podczas buntu strzelcówJ. Lebiediewa, НИКОЛЬСКИЕ ЦЕРКВИ СТАРОЙ МОСКВЫ.
W 1694 Irina Kiriłłowa, wdowa po synu Awierkija Kiriłłowa, Jakowie, poleciła dostawić do cerkwi drugi ołtarz pod wezwaniem Kazańskiej Ikony Matki Bożej. Z jej inicjatywy zbudowano również cerkiewną dzwonnicę na brzegu Moskwy, na której zawieszono dzwon o wadze 200 pudów. Od 1756 rezydencja Kiriłłowów była własnością państwa, a istniejąca przy niej cerkiew – świątynią parafialną.
Cerkiew poważnie zmieniła wygląd w 1775, gdy dostawiono do niej nowy obszerny przedsionek w stylu klasycystycznym. W 1812 obiekt spłonął w pożarze Moskwy, następnie w 1813 został odbudowany i powtórnie poświęcony. W tak odrestaurowanym obiekcie znalazły się trzy ołtarze: główny Trójcy Świętej oraz boczne św. Mikołaja i św. Teodozjusza Cenobiarchy. W 1820 rozebrano starą dzwonnicę cerkiewną, a w 1854 na jej miejscu zbudowano nową.