Budowę rozpoczęto 24. IV. 1777 r. Natomiast uroczystość położenia kamienia węgielnego odbyła się 4.V.1778 r. – w miejscu gdzie miał stanąć ołtarz. Uroczystość zgromadziła rzesze mieszkańców Warszawy, parafian, posłów zagranicznych Anglii, Danii, Prus, elektora saskiego, carowej Rosji. Przybył tez przedstawiciel króla polskiego – kasztelan łęczycki, gen. major wojsk koronnych Tadeusz Lipski. Pierwszym pastorem warszawskiego zboru był wówczas ks. Teofil Ringeltaube, a drugim pastorem, ks. Fryderyk Cerulli. Pierwszą cegłę położył poseł carowej Rosji – Otto Stackelberg, srebrną kielnię z wygrawerowaną datą podał mu Bogumił Zug, a następnie inni goście. Za ołtarzem zamontowano tablice z napisem: „Za panowania Stanisława Augusta ojca Ojczyzny, kiedy Rzeczpospolita uspokojona, a swobodne wykonywanie obrzędów religijnych na nowo prawem publicznym zabezpieczone zostało, położono dnia 4 V 1778 r. pierwszy kamień pod budujący się kościół poświęcony w stolicy ku odbywaniu publicznych nabożeństw wyznania augsburskiego”.
Rok później 2 VII 1779 r. na szczycie latarni umocowano krzyż, a 8 VII 1779 r. w piedestale krzyża złożono pamiątkowe dokumenty.
30 XII 1781 r. nastąpiło uroczyste otwarcie i poświęcenie kościoła ewangelicko-augsburskiego Św. Trójcy w Warszawie. W urodziny króla Stanisława Augusta 17 I 1788 r. nad głównym wejściem do kościoła umieszczono kamienną tablicę pamiątkową z datami położenia kamienia węgielnego i poświęcenia kościoła.
Kościół był zbudowany w najwyższym wówczas punkcie Warszawy. W 1794 roku z latarni kopuły ruchy wojsk nieprzyjacielskich obserwowali oficerowie Tadeusza Kościuszki. Od początków XIX w. zbór słynął z pięknej muzyki, która towarzyszyła nabożeństwom i podczas specjalnych koncertów. Koncertowali w murach tej świątyni wybitni muzycy, wśród nich – w kwietniu 1825 grał na choralionie w obecności cara Aleksandra I – Fryderyk Chopin. Od końca XIX w rozpoczęto zdobienie okien kościoła witrażami, a w 1901 założono oświetlenie gazowe. Rok później zamontowano organy firmy „E.F. Walker i Ska”. I wojna światowa wyrządziła ogromne szkody: w 1917 okupanci niemieccy zdarli miedzianą blachę i dzwony, przeznaczając je na potrzeby wojskowe. W okresie międzywojennym kontynuowane było zdobienie okien witrażami, w fabryce Karola Schwabego w Białej wykonano nowe dzwony, które po raz pierwszy odezwały się 30. XII. 1929 r.
Z okazji 150-lecia poświęcenia kościoła 8. V. 1932 r. odbyły się główne uroczystości z udziałem prezydenta Rzeczpospolitej Polski Ignacego Mościckiego. W latach 1935-1938 ponownie pokryto kopułę blacha miedzianą i pozłocono krzyż. Największe straty poniósł kościół i parafia w czasie II wojny światowej. Już 16. IX. 1939 roku od bomb zapalających kościół stanął w płomieniach. Okupanci aresztowali i osadzili w więzieniach i obozach koncentracyjnych wielu polskich księży ewangelickich, na czele z biskupem Juliuszem Bursche, który zmarł w 1942 w berlińskim więzieniu. Do 1942 r. polskie nabożeństwa odbywały się w kościele garnizonowym na Mokotowie oraz w sali konfirmacyjnej w budynku parafialnym. W 1942 r. obiekty te władze okupacyjne zajęły na szpital wojskowy, a kościół na Mokotowie na magazyny i stajnie. Nabożeństwa kontynuowano w kościele ewangelicko-reformowanym. Po powstaniu warszawskim pozostały jedynie wypalone mury świątyni, zgliszcza domu parafialnego i narożnego, zrujnowany budynek szkolny. Jedynie kamienica przy ul. Kredytowej 4 była w najlepszym stanie.
Już w 1945 roku zapadła decyzja o odbudowie kościoła. Plany zostały opracowane przezarchitekta Teodora Burschego i zatwierdzone przez Biuro Odbudowy Stolicy. Odbudowę prowadził komitet wybrany przez parafian, ale w 1951 r. niestety budynek kościoła został przejęty przez Ministerstwo Kultury i Sztuki, które podjęło dalszą odbudowę z zamiarem przeznaczenia obiektu na salę koncertową. W 1953 r. zakończono wznoszenie kopuły. Po przełomie październikowym w 1956 roku zwrócono kościół Parafii Ewangelicko-Augsburskiej w Warszawie i już 18 XI 1956 r. odbyło się pierwsze nabożeństwo – ustawiono prowizoryczny ołtarz przy jednym z okien, wewnątrz kościoła jeszcze był las rusztowań, a na latarnię kościoła powrócił krzyż. Przez następne dwa lata prowadzono prace wykończeniowe wewnątrz kościoła. 22. VI. 1958 r. odbyło się poświęcenie odbudowanego kościoła. Uroczystego otwarcia dokonał ks. Zygmunt Michelis, a poświęcenia ówczesny zwierzchnik Kościoła Ewangelicko-Augsburskiego w Polsce, ks. bp Karol Kotula wraz z ks. bp. Hansem Lilje, zwierzchnikiem Zjednoczonego Kościoła Ewangelicko-Luterańskiego Niemiec.
W miarę upływu lat kościół stopniowo odzyskiwał dawny blask. W 1961 r. dwa podłużne okna po obu stronach ołtarza ozdobiono witrażami ufundowanymi przez wdowę po ś.p. Janie Wedlu. Zdobienie okien witrażami zakończono w 1994 r. Fundatorką pozostałych okien byłaCecylia Dudzińska. W 1963 roku Parafia Ewangelicko-Reformowana w Warszawie podarowała Parafii Ewangelicko-Augsburskiej Św. Trójcy Biblię, tzw. Radziwiłłowską, drukowaną w języku polskim w Brześciu w 1563 r. Biblia ta do chwili obecnej wkładana jest na ołtarzu podczas świątecznych nabożeństw. W marcu 1964 r. poświęcono nowy ołtarz wg projektu prof. Teodora Bursze.