Die Geschichte der Trinitatiskirche ist eng mit der Geschichte der Protestanten in Köln verbunden: Sie ist die erste eigens für den evangelischen Gottesdienst erbaute Kirche im linksrheinischen Köln.
Über Jahrhunderte waren protestantische Gottesdienste in Köln verboten. Ab 1570 wurden die ›Falsch-Gesinnten‹ sogar bekämpft, verhört, inhaftiert oder der Stadt verwiesen. Wer am katholischen Gottesdienst nicht teilnahm, war ebenso verdächtig wie der, der bei Prozessionen keine Blumen vor seinem Haus streute. Deshalb bildeten sich die ersten evangelischen Gemeinden vor den damaligen Stadttoren Kölns, etwa in Frechen oder rechtsrheinisch im heute zu Köln gehörenden Mülheim am Rhein. Im damaligen Köln wurde nur heimlich und meist in Privatwohnungen gebetet und gefeiert.
Erst als die französischen Revolutionstruppen Köln besetzt hatten und den Bürgern das Recht auf Religionsfreiheit zusicherten, feierten die evangelischen Gemeinden ihren ersten öffentlichen Gottesdienst: im Haus der Brauerzunft an der Schildergasse. Ein erstes eigenes Gotteshaus, die Antoniterkirche, bekamen sie 1802 von der französischen Stadtverwaltung. Die evangelische Minderheit, zu der viele Kaufleute und Fabrikanten gehörten, entwickelte bald ein stärkeres Bewusstsein gegenüber der katholischen Mehrheit und im 19. Jahrhundert stieg der Anteil der evangelischen Bevölkerung in Köln deutlich. So reichte die Antoniterkirche bald nicht mehr aus, weswegen um 1830 die ersten Pläne zur Errichtung eines neuen Gotteshauses diskutiert wurden. König Friedrich Wilhelm IV. unterstützte das Vorhaben von Anfang an: Während er den »gewaltigen Dom seiner Vollendung entgegen führte«, wollte er auch »für die Evangelischen eine schöne würdige Kirche, einen protestantischen Dom bauen« lassen, schrieb der erste Chronist der Evangelischen Gemeinde Köln.
Die vom Berliner Baumeister und Schinkel-Schüler Friedrich August Stüler konzipierte und unter der Leitung von Eduard Kramer 1857 bis 1860 errichtete Trinitatiskirche ist eine nach Süden gerichtete dreischiffige Emporenbasilika, der ein offener Säulengang – ein sogenannter Porticus – über die gesamte Kirchenbreite vorgelagert ist. Dem Mittelschiff schließt sich eine polygonale Apsis an. Der schlanke Turm mit seinem quadratischen Grundriss erhebt sich 41 Meter in die Höhe. Dieser Campanile gehört zu jenen Elementen des Kölner Stadtbilds, die die Skyline längs des Rheins mitprägen.
Im zweiten Weltkrieg wurde die Trinitatiskirche bei schweren Angriffen alliierter Bomber 1942 und 1943 zerstört. Bis auf den Taufstein aus Marmor ging das Inventar samt der Orgel im Bombenhagel unter. 1953 begann der Wiederaufbau, der am 13. Juni 1965 abgeschlossen werden konnte. Altar, Kanzel und Kreuz wurden 1962 von dem Kölner Bildhauer Kurt-Wolf von Borries geschaffen, der auch die interessante Kassettendecke im Mittelschiff gestaltet hat. In dieser Zeit wurde auf der Westseite der Kirche ein großzügiges Garderobenhaus mit einem Foyer und weiteren Nebenräumen angebaut.
Seit 1982 steht die Kirche unter Denkmalschutz und gilt als eins der herausragenden Beispiele für den preußisch-berlinerischen Spätklassizismus, der sich an altchristlichen Vorbildern orientiert.
Mit dem Einbau der großen Klais-Orgel auf der Nordempore im Jahr 2009 konnte die letzte Kriegswunde geheilt werden. Seitdem wird der »protestantische Dom« vom Evangelischen Kirchenverband Köln und Region als Kultur- und Veranstaltungskirche vielfältig genutzt und ist als Konzertstätte in der Kultur- und Kunstszene weit über die Grenzen Kölns hinaus bekannt.
Im Jahr 2020 erfuhr die Trinitatiskirche eine grundlegende Sanierung der historischen Bausubstanz und der gesamten Technik sowie eine umfangreiche Renovierung aller Nebenräume.