Son transfert, quelques centaines de mètres plus bas en lieu et place du Cabaret de la Grande Pinte, est décidé par le baron Haussmann dans le cadre des transformations de Paris sous le Second Empire voulues par l'empereur Napoléon III. L'église est implantée à l'extrémité de la perspective ouverte par la rue de la Chaussée-d'Antin. La nécessité de la construire en surélévation pour reprendre le début de la pente de la butte de Montmartre accentue la monumentalité de l'édifice placée après un petit square. Les travaux commencent en 1861 et s'achèvent en 1867. Théodore Ballu en est l'architecte. Conçue pour être vue depuis l'Opéra de Paris, elle passe pour avoir été très économique malgré le luxe des décorations : l’église coûta 3,2 millions de francs selon le baron Haussmann[2]. Le bâtiment n'en est pas moins impressionnant avec ses 90 m de long, 34 m de large, 30 m de hauteur et son clocher qui culmine à 65 m de hauteur.
L'église est inscrite au titre des monuments historiques par arrêté du , avant d'être classée le [4].
En lors d'un inventaire[5], il est découvert que les horloges de l'église Sainte-Trinité de Paris sont constituées du même mécanisme que celui qui animait celle de la cathédrale Notre-Dame de Paris, détruit lors de l'incendie du . Les deux horloges avaient été construites par les mêmes ateliers Collin-Wagner la même année 1867. Seules les dimensions diffèrent, les horloges de l'église Sainte-Trinité étant plus petites que celle de Notre-Dame. L'étude et le relevé minutieux des horloges de l'église de la Sainte-Trinité pourraient servir pour une éventuelle restitution à l'identique de l'horloge de Notre-Dame[6],[7].
En haut de la façade sont représentées les quatre vertus cardinales et autour du clocher en forme de beffroi, influencé par la Renaissance française, les symboles des quatre Évangélistes. En contrebas, dans le square, c'est la symbolique du chiffre trois qui domine : trois fontaines à triple vasque, surmontées de trois statues illustrant les trois vertus théologales : La Foi, La Charité et L'Espérance, œuvres de Duret et Lequesne[8].
Les murs sont richement décorés de peintures de style académique, apprécié par Napoléon III. Des peintures à l'imitation de la mosaïque sur les arcades représentent notamment les Pères de l'Église. La Sainte Trinité figure sur l'arc triomphal au-dessus du chœur ; au fond, au-dessus du grand-orgue, on peut voir une scène de l'Apocalypse.
On remarquera également, au fond de la nef, un balcon se situant en dessous des grands orgues : celui-ci était à l'origine destiné à accueillir l'empereur et sa suite lors de grandes cérémonies religieuses. Cependant, ce dernier ne se rendit jamais dans l'espace qui lui était réservé. On notera que c'est de ce balcon que la vue sur la nef est la meilleure, du fait de son alignement avec l'allée centrale et l'autel.
L'abside à trois pans est décorée de vitraux historiés racontant la vie de la Vierge. Ils sont inspirés de la Bible et par la tradition de l'Église catholique. Eugène-Stanislas Oudinot (1827-1889) a reçu la commande des vitraux en 1864 avec Paul Charles Nicod (1819-1898) et Auguste Leloir (1809-1892) ;
Il existe encore deux autres chapelles, qui se situent de chaque côté des balcons encadrant le chœur de l'église. Leur accès est interdit au public, mais on peut apercevoir les fresques ornant les murs de ces chapelles.
Artistes ayant participé à la décoration de l'église
(Jean Marie) François DOYEN ,Sculpteur ,tailleurs de Pierre : Décédé le 21 juillet 1867 de l'estomac,sculpteur de l'enceinte de l'abbaye de St Denis,terminée par ses soins en présence de son fils qui assemblait l'horloge interne"VOISIN" de l'église..Marié( en 1841 )le 3 décembre 1840 en tant que tailleur de pierre à Rozet-St-Albin , co-;entrepreneur de ravalement,à Paris,sculpteur de l'enceinte du parc de la trinité jusqu'à son décès par maladie en terribles douleurs évoqué par son petit fils Albert!
L'orgue a été construit en 1869 par Aristide Cavaillé-Coll. Très gravement touché lors de la Commune de Paris, il fut entièrement reconstruit par Cavaillé-Coll, et Alexandre Guilmant en fut nommé titulaire. Ce célèbre compositeur créa la majorité de ses œuvres sur les grandes orgues de la Trinité. À cette époque, la composition de l'orgue était la suivante :
Grand-Orgue
Positif
Récit expressif
Pédale
Montre 16'
Quintaton 16'
Bourdon 8'
Bourdon 32'
Bourdon 16'
Flûte 8'
Flûte 8'
Contrebasse 16'
Montre 8'
Salicional 8'
Gambe 8'
Soubasse 16'
Bourdon 8'
Unda Maris 8'
Voix céleste 8'
Flûte 8'
Flûte 8'
Prestant 4'
Flûte 4'
Bourdon 8'
Gambe 8'
Flûte 4'
Flûte 2'
Violoncelle 8'
Prestant
Doublette 2'
Trompette 8'
Flûte 4'
Quinte 2 2/3'
Piccolo 1'
Clairon 4'
Bombarde 16'
Plein-Jeu V rgs
Cornet
Basson-hautbois 8'
Trompette 8'
Cornet
Basson 16'
Voix humaine 8'
Clairon 4'
Bombarde 16'
Trompette 8'
Trompette 8'
Clarinette 8'
Clairon 4'
L'orgue fut plusieurs fois modifié. Tout d'abord par Merklin en 1901, ce qui coûta sa place à Alexandre Guilmant qui refusa de signer la réception des travaux. Plus tard, le titulariat d'Olivier Messiaen, durant 61 ans (de 1931 jusqu'à sa mort en 1992), fut l'origine de nombreux aménagements, en premier lieu par la maison Pleyel-Cavaillé-Coll en 1934, puis surtout par la maison Beuchet-Debierre en 1965.
Préfecture du département de la Seine. Direction des travaux, « Église de la Sainte-Trinité », dans Inventaire général des œuvres d'art appartenant à la Ville de Paris dressé par le service des beaux-arts, t. 3 Édifices religieux, Paris, Imprimerie centrale des chemins de fer Imprimerie Chaix, (lire en ligne), p. 81-108
Aline Dumoulin, Alexandra Ardisson, Jérôme Maingard et Murielle Antonello, Reconnaître Paris, d'église en église, Paris, Massin, (ISBN978-2-7072-0583-4), p. 206-209.