上三一堂（Holy Trinity Church）的前身为1847年建成的一礼拜堂。在此之前，海的英国侨民均在英国领事行礼拜仪式。 宝顺洋行（Dent & Co. 又译颠地洋行）的苏格兰裔商人托马斯·查伊·贝尔（Thomas Chaye Beale）购置下教堂所在的地皮并捐献给教会。因圣堂临近英国海外传道会（C.M.S., Church Missionary Society），故堂前街道也称为教会街（Church Street），直到1865年才改名为江西路。原普通规模的圣堂质量欠佳，在1850、1851年间大修过一次。在这期间，该堂接二连三地发生一系列不幸：第一任牧师路德溺水死亡，第二任牧师郝博逊从屋顶上翻落下来，1862年，这座圣堂又遭遇强台风的破坏而坍塌，无法继续使用，被迫拆除。
原教堂拆除后，英国建筑设计师乔治·吉尔伯特·司各特（George Gilbert Scott 1811-1878）设计了新哥特式风格的新教堂。由于司各特最初的设计过于华丽，超过了上海英侨的经济承受能力，加之新堂需要容纳更多的教徒，于是转请当时上海唯一具有英国皇家建筑学会会员身份的设计师威廉·凯德纳（Killiam Kindner）修改了建筑图稿。 1949年，中华人民共和国成立以后，大部分英国侨民起初并未撤出上海，圣三一堂仍然维持着英国侨民座堂的特色。1951年至1952年，圣三一堂驻堂圣品牧师团，以及英籍教友陆续撤离上海。座堂最后一位主任牧师特里维特（The Very Reverend A. C. S. Trivett）离开上海。
1953年，圣三一堂的英籍业主被通知已经欠下了高额房地产税，于是将圣三一堂交给上海市人民政府，上海市人民政府将圣三一主教座堂赠予全国三自筹委会；全国三自筹委会又将该堂移交给同一教派背景的中华圣公会。中华圣公会总议会接收圣三一堂后，进行了一次修缮，许多捐款来自于曾在该堂礼拜的圣保罗堂的教友。在1955年教堂修缮工程完工后，举行感恩、祝圣礼拜，圣三一堂成为中华圣公会的总座堂，中华圣公会主教院决议将此座堂定位为上海本地的国际性英语圣公会主教座堂，由主教院主席陈见真主教管辖。
1958年，中华圣公会主教院最后一次会议在圣三一堂举行。之后在献堂献庙的高潮中，附近其他教派的教堂，如山东路天安堂（属于中华基督教会，原由伦敦会开辟）的信徒，也被并入圣三一堂，同时，圣三一堂仍继续沿用圣公宗传统的公祷书。 1966年8月，文化大革命开始，在声势浩大的破四旧高潮中，所有宗教活动均被禁止，圣三一堂连同上海所有的宗教机构一同作为“四旧”被关闭，附近江西中路原培成初级中学一些红卫兵受指使纵容，侵占了圣三一堂。圣品人被勒令接受批斗，然后被遣送到工厂、农村进行体力劳动。座堂东北侧最具宗教特色的维多利亚哥特式八音钟塔，其尖顶作为帝国主义侵略的标志，被上百名红卫兵用绳索将其拖下，整整用了一天的时间，这一天被在场观看的居民留下了深刻的一幕。几天后，有不明身份的人士进驻，接管了座堂、图书馆、档案楼及全部教牧人员的办公楼生活区域，实施系列查抄并悉数没收。此后几个月里，十四、五岁的红卫兵占据座堂内部圣堂区域，大肆破坏了座堂内的教会设施，教堂内的稀有珍贵的古管风琴也同时被损坏。座堂祭坛前不远处有个通地下室的暗门，主地室内存放着几十座英国侨民教友的骨灰盒亦遭受破坏。
在文革结束后长达近40年的时间里，教堂长期被黄浦区政府征用。
2005年6月6日，上海圣三一堂被归还给基督教机构，中国基督教全国“两会”从圆明园路169号迁入圣三一堂北侧的4层附属办公楼（九江路219号），两会负责人季剑虹、曹圣洁迁入办公。教堂计划在修复后重新开放。目前，教堂已经修葺一新，但仅在礼拜时间向教徒开放。
