清同治八年(1869年),圣三一基督教堂始建。
清光绪十九年(1893年),圣三一堂的左侧又增建了一座高耸的钟楼。钟楼为四方形平面,尖椎形屋顶,四角有4个小尖顶。钟楼内安置了八音大钟,能按着圣诗的音韵敲打。
1966年8月,钟楼毁于文化大革命破四旧中。
圣三一基督教堂是上海现存较早的基督教堂,因其红砖砌筑的外墙而被称为“红礼拜堂”。在20世纪30年代以前,其钟楼曾经长期是上海的制高点和较醒目的地标,是上海当时较美的建筑之一。
2017年,圣三一基督教堂的修缮工程获得联合国教科文组织亚太文化遗产保护杰出项目奖。
2019年10月7日,圣三一基督教堂被中华人民共和国国务院公布为第八批全国重点文物保护单位名单。