Первую деревянную Свято-Троицкую церковь в 1864 г. построил насельник Выдубицкого монастыря Иона при своей отшельничьей келье на Зверинце.

Первоначальный объем кирпичной церкви в честь Святой Троицы соорудил в 1871—72 гг. военный инженер Иван Антонов. Главный алтарь освящен 23 июля 1872 г., еще раньше — 28 ноября 1871 г. — северный придел в честь Божьей Матери Троеручницы. Храм был Г-образным в плане, завершался одним куполом на восьмигранном барабане, который с учетом близости барочного ансамбля Выдубицкого монастыря получил грушевидную форму.