Wybudowany w XVII w. wraz z klasztorem dla sióstr benedyktynek. Był fundowany przez Barbarę z Dulskich Tarłową. Pierwotnie był to kościół drewniany, który uległ zniszczeniu podczas potopu szwedzkiego. W 1678 r. przystąpiono do budowy murowanego kościoła, wg projektu Tylmana z Gameren. Sto lat później kościół i klasztor spłonęły – pozostały po nich tylko ściany. W 1809 r. klasztor zamieniono na szpital wojskowy, a w 1819 r. nastąpiła ostateczna kasata zakonu. W części klasztornej urządzono więzienie. W 1837 r. kościół został zamieniony na cerkiew pw. św. Mikołaja. Podczas I wojny światowej Austriacy zamienili go na magazyn. W 1910 r. władze zaborcze ogłosiły sprzedaż budynku, a nawet pojawił się pomysł jego rozbiórki. Jednak dzięki ks. Piotrowi Górskiemu i ofiarności mieszkańców Radomia udało się go odbudować. W okresie międzywojennym w kościele odbywały się nabożeństwa dla młodzieży szkół radomskich. Rektorami w tym czasie byli ks. Bolesław Strzelecki (od 1935 r.) i ks. Stefan Grelewski (od 1940 r.) obaj ogłoszeni błogosławionymi.
Od 1947 r. kościołem zarządzają oo. Jezuici. Podczas wystąpień robotniczych w 1976 r., ze schodów świątyni, ksiądz Roman Kotlarz (proboszcz parafii Pelagów) błogosławił protestujących. Najcenniejszym zabytkiem kościoła jest znajdujący się w ołtarzu głównym obraz Świętej Trójcy z XVIII w. W byłym klasztorze benedyktynek do 1998 r. mieściło się więzienie – najpierw carskie, następnie niemieckie, a po II wojnie światowej areszt śledczy. Po zakończeniu działań wojennych, 9 września 1945 r., oddziały AK pod dowództwem Stefana Bembińskiego "Harnasia" przeprowadziły brawurową akcję odbicia z radomskiego więzienia ok. 300 więźniów politycznych aresztowanych przez Urząd Bezpieczeństwa. Obecnie mieści się tu Centrum Duszpastersko-Administracyjne Diecezji Radomskiej, a gmach klasztoru od 1999 r. stanowi własność Kurii Biskupiej.