La construction de l'église de la Trinité fut décidée par un décret du 22 septembre 1851. Réalisé entre 1861 et 1867 par l'architecte Théodore Ballu, l'édifice prit place au sein d'un quartier largement bouleversé par les grands travaux haussmanniens. La réalisation de l'actuelle place d'Estienne-d'Orves, l'élargissement des rues alentour et l'élévation de nouveaux immeubles nécessitèrent de nombreux travaux de terrassement ainsi que la disparition de bâtiments remarquables tels la caserne Saint-Lazare ou un hôtel particulier de Ledoux, celui du cardinal Fesch rue de la Chaussée d'Antin.
Oeuvre majeure de Ballu, l'église de la Trinité s'inspire de l'architecture de la Renaissance française sans pour autant n'être qu'un vulgaire pastiche. Sa haute sihouette s'inserre harmonieusement dans le quartier environnant grâce au petit square qui s'étend à ses pieds et auquel elle est reliée par une balustrade terminée par deux escaliers courbes. Sa façade composée de trois porches est surmontée d'une galerie elle-même couronnée d'une grande rose et de deux larges fenêtres géminées. L'ensemble est dominé par un clocher à quatre étages, carré à sa base, octogonal au sommet et terminé par deux coupoles superposées.
Le programme décoratif de l'église est ambitieux. Les niches des porches abritent des statues d'Eugène Guillaume tandis que les groupes sculptés ornant la balustrade du premier étage sont l'oeuvre de Jacques Maillet, Pierre Cavelier, J.B. Carpeaux(La Tempérance), et Adolphe Crauck (ils ont été remplacés depuis la seconde guerre mondiale par des copies). A l'intérieur, les bénitiers furent sculptés par Charles Gumery et il est à noter une Vierge à l'Enfant de Paul Dubois. Le décor peint est signé Emile Levy, Elie Delaunay et Félix Barrias pour le choeur, Pierre Brisset, J.A. Lecomte de Nouy, Désiré Laugée, Eugène Thirion, Romain Cazes, Michel Dumas et Louis Français pour les chapelles latérales. La tribune d'orgue est surmontée d'un grand arc décoré par Félix Jobbé-Duval. C'est à la Trinité qu'Olivier Messiaen officia pendant plus de quarante ans en tant qu'organiste.
Karine Huguenaud