Al actual templo le antecedieron tres construcciones: una ermita construida hacia 1526, por los miembros del gremio de los sastres, que tuvo la advocación de San Cosme, San Damián y San Amaro; un hospicio para albergar indigentes; y una construcción de las clarisas.

El Arzobispo en 1567 concedió permiso a un grupo de monjas de Santa Clara para ocupar temporalmente la ermita; las religiosas ordenaron derribar la primera construcción para edificar otra, que fue abandonada diez años después. A la salida de las clarisas, los sastres regresaron a ocupar su propiedad y formaron una asociación piadosa. Para 1577, el bachiller Pedro Gutiérrez Pisa había fundado la Cofradía de San Pedro, la cual estableció un hospital para dar atención a los sacerdotes seculares, enfermos y ancianos; ya que en la Nueva España no había uno de ese género. El sitio donde se instaló la sede fue la Archicofradía de la Santísima Trinidad, establecida en la ermita.

En 1667 fue dedicado el templo de la Santísima Trinidad, construido por los cofrades de San Pedro. A mediados del siglo XVIII, se planeó la construcción de un nuevo templo, es decir el actual, obra que se ejecutó gracias al presbítero José Antonio Narváez, a quien también, por estos años, se debe la reedificación del hospital, que nunca fue terminado.

La nueva iglesia se le atribuye al arquitecto Lorenzo Rodríguez, debido a la semejanza que presenta con la portada principal del Sagrario; se puso la primera piedra en 1775, inaugurándose en 1783. La portada principal, al poniente, presenta un relieve de la Santísima Trinidad, titular de la Cofradía de los Sastres; la lateral sur, ésta dedicada al patrón de la Cofradía eclesiástica, San Pedro Apóstol. Rodeando la iglesia, al norte y oriente, se ubicaba el hospital.

En 1805 y posteriormente, en 1855 y 1856, el templo fue objeto de reparaciones, estrenándose nuevamente en 1858. Tres años después, a partir de las Leyes de Reforma, fue cerrada al culto y entregada a la Compañía Lancasteriana. A principios del siglo XX fue restaurado y quedó abierto al público.

En cuanto al hospital, después de las Leyes de Reforma, una parte fue fraccionado y vendido a particulares, y otra fue cedida a la Compañía Lancasteriana.