Zamisao o gradnji župne crkve Presvetog Trojstva u Novom Sarajevu iznio je nadbiskup Josip Stadler još krajem 19. stoljeća.
Stadler je izabrao Novo Sarajevo kao prikladno mjesto za oblikovanje nove župne zajednice iz jednostavnog razloga što se grad širio dolaskom novih stanovnika koje je trebalo vjerski zbrinuti. Josip Stadler je kupio zemljište u Kolodvorskoj ulici od posjednika Mališevića, kao i kuću koja je kasnije adaptirana za župni stan.
Kada je 1905. godine definitivno zaključeno da se sagradi crkva Presvetog Trojstva, arhitekt Josip Vancaš napravio je nacrt sa proračunom od 50.000 kruna. Novac su namirile župe Vrhbosanske nadbiskupije, a najveći dio je dao i sam nadbiskup. Gradnju su započeli i dovršili graditelji Horvat i Scheidig.
Kamen temeljac za novu crkvu blagoslovio je kanonik i budući nadbiskup dr. Ivan Šarić, 14. maja 1905. godine. Crkva je završena i posvećena 18. novembra 1906. godine. Ukupni troškovi gradnje iznosili su 100.000 kruna.
Crkvu je oslikao Karl Richter. Glavni oltar od dalmatinskog kamena i sarajevskog mramora uradio je Anton Lušina iz Sarajeva. Kipove sv. Augustina i sv. Josipa kod oltara uradio je Dragan Morak iz Zagreba. Bočne oltare i propovjedaonicu izradila je firma Ferdinanda Stuflezera iz Tirola.
Sliku Presvetog Trojstva iznad oltara oslikao je hrvatski slikar Oton Iveković.