Kobyłka należy do bardzo starych miejscowości. Istniała już w początkach XIV wieku.

Parafia w Kobyłce powstała przed rokiem 1415 jako jedna z najstarszych w okolicach Warszawy. W chwili założenia należała do diecezji płockiej. Z tej dużej parafii wydzielono nowe parafie w Poświętnym w 1445, w Markach w 1917, w Wołominie w 1924, w Zielonce w 1939, w Strudze w 1952, w Duczkach w 1980, w Stefanówce w 1989, w Helenowie w 1997, w Nadmie w 2003 i w Turowie w 2003. Do 1755 roku parafia była prowadzona przez księży świeckich, w latach 1755 - 1773 przez zakon jezuicki, a w okresie 1779 - 1865 zakon bernardynów. Od 1873 roku do chwili obecnej parafię prowadzą księża diecezji warszawsko - praskiej.

Pierwsze niewielkie budowle kościelne pod wezwaniem św. Anny były budowane z drewna modrzewiowego i ulegały ciągłym pożarom. Dopiero w latach 1736 - 1740 na ich miejscu powstał stojący do dziś kościół murowany, którego fundatorem był biskup Marcin Załuski - sekretarz króla Augusta II, który po śmierci w roku 1768 został pochowany w podziemiach kościoła. Projektantem był włoski architekt Guido Longhi. Kościół wzniesiono w stylu późnego baroku. Posiadał on jedną nawę i dwa trakty boczne. Konsekracji dokonał biskup Marcin Załuski w 1741 roku, jednak prace budowlane trwały nadal. Po roku 1742 sklepienie nawy głównej oraz ściany prezbiterium pokryte zostały cennymi freskami. Zostały one wykonane przez malarza Grzegorza Łodzińskiego. Sceny z życia Chrystusa namalowane nawach w bocznych powstały w późniejszym okresie. Najprawdopodobniej namalował je malarz jezuicki Ignacy Doretti w latach 1754-62. Również i zewnętrzne ściany kościoła ozdobiono freskami, co jest unikatem w Polsce.

W 1753 roku Biskup Załuski utworzył w kościele misję jezuicką, która przetrwała do roku 1773, do czasu likwidacji zakonu Jezuitów. Dla potrzeb misji powstały pomieszczenia zakonne nad traktami bocznymi. W tym czasie powstały też stacje Męki Pańskiej wraz z Kaplicą Ogrójca w elewacji południowej kościoła.

W czasie bitwy pod Kobyłką stoczonej z wojskami rosyjskimi podczas powstania kościuszkowskiego w 1794 roku uległa zniszczeniu wschodnia wieża kościoła.

Następnej dewastacji dokonali żołnierze wojsk napoleońskich, którzy w latach 1811 -1812 zakwaterowani wraz z końmi w murach świątyni zniszczyli wspaniały jej wystrój.

Od 1822 roku przystąpiono do remontu kościoła i jego przebudowy. W latach 1888 - 1908 dzięki wielkiemu staraniu proboszcza księdza kanonika Franciszka Marmo kościół został doprowadzony do dawnego stanu. Wybudowano ogrodzenie wokół kościoła, odnowiono ołtarz i wnętrze świątyni. W 1902 zostały przebite ściany nawy głównej do traków bocznych, dzięki czemu powstał układ trójnawowy.

W 1944 roku wojska niemieckie wysadziły wieżę zachodnią niszcząc stropy nawy. Już w 1945 roku rozpoczęto odbudowę kościoła pod nadzorem inż. Brunona Zborowskiego. Odnowę kontynuowano w latach 1957 - 1963 przy dużym zaangażowaniu księdza prałata Władysława Borowca. Odsłonięto wtedy spod warstwy farb klejowych zabytkowe freski i stiuki. Zostały one odrestaurowane przez konserwatorów sztuki Władysławę i Konstantego Tiuninów.

W wyniku pożaru wznieconego przez włamywacza w maju 1971 roku spłonął ołtarz główny i uległy zniszczeniu malowidła ścienne. Dzięki wielkiemu zaangażowaniu proboszcza księdza prałata Kazimierza Konowrockiego, inżynierów Brunona Zborowskiego i Feliksa Dzierżanowskiego, oraz konserwatorów Władysławy i Konstantego Tiuninów w latach 1971 - 1977 odbudowano ołtarz, dokonano całkowitej renowacji wnętrza świątyni oraz odbudowano po prawie dwustu latach wschodnią wieżę kościoła.

W latach 1983 - 1987 przeprowadzono całkowity remont dachu i elewacji kościoła. W okresie 1988 - 1993 odnowiono kaplicę ogrójca wraz z renowacją figur. W latach 1996 - 1999 przeprowadzono odnowienie naw bocznych kościoła oraz wykonano całkowite odmalowanie ścian zewnętrznych. Podczas przeprowadzanych prac konserwatorskich odkryto freski zewnętrzne na wschodniej ścianie świątyni.

Kościół Świętej Trójcy był Kościołem Jubileuszowym w 2000 roku.