Возникла в начале XVIII века на Городском (ныне Петроградском) острове. На ней находился деревянный Троице-Петровский собор, по которому и дали название площади (снесён в 1933 году).
Троицкая площадь некогда была центром Санкт-Петербурга. На ней находились Гостиный двор, таможня, рынок (до 1710 года), трактир «Австерия», типография, Сенат, Синод, коллегии. Однако в 1730-х годах она потеряла статус центральной.
В 1929—1933 годах возведен известный Дом политкаторжан — № 1 по Троицкой площади, в 1956 году — дом № 3 (для «ЛенНИИпроекта)».
В 1948 году на площади был разбит сквер (архитекторы Н. В. Баранов и О. И. Гурьев).
В 1918—1923 годах называлась пло́щадью Коммуна́ров, в 1923—1991 годах (в память о проходивших здесь революционных митингах) — пло́щадью Револю́ции. В 1990 году в сквере рядом с Домом политкаторжан, многие жители которого были репрессированы, был установлен Соловецкий камень. На этом месте предполагалось установить памятник жертвам политических репрессий.
Дореволюционное название восстановлено 4 октября 1991 года.
В 2003 году — к 300-летию Петербурга на площади построили часовню Троицы Живоначальной.