Helga Trefaldighets församling grundades under tidig medeltid och kyrkans namn visar på en mycket hög ålder: få medeltida kyrkor har helgats åt den heliga treenigheten. Kyrkan har även kallats för Bondkyrkan.
Den nuvarande kyrkan är troligen den tredje på platsen och är uppförd mot slutet av 1200-talet. Den nämns första gången 1302.
Från 1270-talet var en av domkyrkans kaniker kyrkoherde i Helga Trefaldighet. Under tiden 1613–1805 var Helga Trefaldighet annex till Domkyrkan och därefter professorsprebende till 1923.
Den äldsta delen av kyrkan är sakristian från 1200-talet. Långhuset och vapenhuset på norrsidan uppfördes under 1300-talet medan de båda sidokoren och tornet dateras till 1400-talet.
1901–1914 var Nathan Söderblom församlingens kyrkoherde innan han därefter blev ärkebiskop 1914–1931.