Самое старое из сохранившихся до наших дней сооружений в Останкине — Храм Живоначальной Троицы. Он строился с 1678 по 1683 гг., его автор — крепостной архитектор Павел Сидорович Потехин. Храм освящён во имя Святой Троицы и имеет два придела: северный посвящён Тихвинской иконе Божьей Матери, южный — святому Александру Свирскому.
Храм Живоначальной Троицы в Останкино — яркий образец русской архитектуры XVII в. с использованием характерного для того времени «узорочья». Изящные, лёгкие пропорции, высоко вознесённые на стройных подкупольных барабанах главки, обилие декоративных деталей — балясин, наличников, кокошников, гирек — придают церкви нарядный, красивый, праздничный вид.
Церковь построена из красного кирпича с украшениями из белого камня и многоцветных поливных изразцов. Однако на протяжении XVIII — первой половины XIX в. она неоднократно, в соответствии с господствовавшими в то время вкусами, окрашивалась в светло-жёлтый цвет. «Стены её, — пишет автор монографии "Троицкая церковь" Б.Б. Михайлов, — покрылись таким толстым слоем охристого мела, что все резные украшения из камня под ними исчезли и фасады приобрели характер оплывших некрасивых масс».
В 1875 г., по распоряжению тогдашнего владельца Останкина А.Д. Шереметева, была начата реставрация церкви. Открывшаяся при реставрации старинная красота породила среди архитекторов новый термин — «останковщина». Останкинская церковь стала образцом для разнообразных построек в популярном в конце XIX — начале XX в. «русском стиле».
После революции останкинский храм Живоначальной Троицы был закрыт, здание передано сначала Антирелигиозному музею искусств, а затем, в 1935 г., музею Останкино. В церкви расположилась постоянная выставка «Религия на службе помещика-крепостника», которая находилась там до Великой Отечественной войны. В начале войны в церковь были эвакуированы наиболее ценные экспонаты из дворца, поскольку её каменные стены представляли более надёжную защиту от зажигательных бомб.
На протяжении последующих десятилетий помещения церкви использовались под хранилища и кабинеты научных сотрудников. В 1980-е гг. в церкви начали устраиваться концерты духовной и светской музыки XVIII в. В 1991 г. церковь опять стала действующей.