Строителем Останкинской церкви был крепостной князя М. Я. Черкасского каменных дел мастер Павел Сидорович Потехин, происходящий из села Кадницы Нижегородского уезда, автор ряда таких интересных памятников, как церкви в подмосковных усадьбах в Маркове и Урюпине, а также Островоезерский монастырь в Вормсе.
Строительство храма с двумя его приделами продолжалось около 14 лет, начиная с 1678 года. В основном здание было закончено в 1863 году, и тогда же был освящен северный Тихвинский придел, служивший домовой церковью; южный придел Александра Свирского освятили лишь в 1691 году, а центральную часть храма — в 1692 году.
Обычно внутренняя отделка церкви и резьба иконостаса отдавались в подряд другим мастерам уже после окончания постройки храма. Этим и объясняются большие интервалы между концом строительства и освящением церкви. Наибольшего труда потребовал пышный резной иконостас главного храма, поэтому центральная часть церкви была закончена позднее приделов.
Церковь в Останкине представляет характерный для московского зодчества того времени тип бесстолпного храма, перекрытого сомкнутым сводом и состоящего из трех частей: центральной и двух небольших приделов по сторонам. Это, в сущности три церкви: большая и две малые. По основной форме объемов все три храма одинаковы. Это квадратные призмы, перекрытые ступенями пышных “кокошников” , подводящих к пятиглавию над большим храмом и одноглавию над меньшими.
Здание поставлено на высокий цокольный этаж — подклет, который придает ему при его изысканных пропорциях еще большую стройность и изящество. Так же как и наружные крытые лестницы с ползучими арками всходов, подклет воспроизводит основные элементы хором XVII века. Первоначально подклет служил складским помещением, а в XX веке в средней его части была устроена зимняя церковь.
Обширная галерея-паперть с западной стороны служит объединяющим элементом композиции. Каждая из трех частей имеет свой вход: скромные порталы ведут в боковые приделы, а более пышные в центральную часть храма.
Северное крыльцо, сообщавшееся ранее с боярскими хоромами, предназначалось для хозяев усадьбы. Оно перекрыто обычной для московского зодчества кровлей на прямой скат. Южное крыльцо, имеющее характерную для хором и деревянных храмов форму в виде двух всходов с площадкой — рундуком — в 1878 году было перекрыто вместо прежней двухскатной кровли шатром, завершаемым флюгером. Западное крыло, предназначавшееся для духовенства, было при реставрации 1833 и 1878 годов перестроено: над ним возвышается теперь шатровая колокольня.
Первоначально у церкви колокольни не было. На ее месте находилась небольшая звонница, аналогичная звоннице церкви в селе Тайнинском. Об этом свидетельствует сохранившийся внутри здания старый каменный резной декор, некогда украшавший всю часть западного фасада. Колокольня была построена лишь в 1832 году по проекту крепостного архитектора Прахаева. В то время она завершалась шпилем, характерным для построек, выполненных в стиле “ампир” . Однако до нас она дошла уже в том виде, какой придал ей архитектор Султанов, перестроивший колокольню в 1878 году.
Переделки, осуществлявшиеся в 30-х годах ХIХ века крепостным архитектором Прахаевым и в 1877—1878 гг. архитектором Султановым, в целом не изменили первоначального вида Останкинской церкви, и она по праву считается одним из лучших и типичных памятников московского зодчества XVII века.
Останкинская церковь отличается необычайным разнообразием своего художественного убранства. Русские мастера во главе с крепостным зодчим Потехиным создали изумительную декорировку здания. “Поливные изразцы и вытесанные из белого камня различные украшения покрывают ее стены, чередуясь с украшениями из фигурного кирпича. Здесь применены все ставшие уже традиционными формы церковного русского зодчества в самом изощренном виде. Местами узоры производят впечатление каменного кружева” .Декоративная обработка фасадов нарастает от подклета к верхнему этажу и куполам. Большая роль в убранстве фасадов отводится наличникам, перенесенным в каменное зодчество из деревянной древнерусской архитектуры. Форма окон различна в зависимости от того места, которое они занима
Еще более богато на фасадах оформлены киоты для помещения икон. Обрамление их состоит из внешнего и внутреннего наличников, разных по своей форме и элементам декора.
Главы церкви завершаются крестами хорошей кованой работы, из которых особенно выделяется большой золоченый крест центральной главы.
Перспективные порталы с их пышным декором, зрительно превращающим узкие двери в величественные входы, служат как бы переходом от внешнего убранства здания к внутреннему. Самым парадным является средний портал, состоящий из семи архивольтов, насыщенных декоративными элементами. Архивольты поддерживаются небольшими парными восьмигранными колоннами, а поле стены за ними покрыто ковровой белокаменной резьбой с мотивами “фряжских трав” .
Несмотря на свои небольшие размеры и полное отсутствие какого-либо декора, внутреннее помещение собственно храма создает впечатление величия и торжественности. Это впечатление достигается большим барочным резным иконостасом высотой 13,5 метра, который выгодно контрастировал с гладкими белыми стенами. В XIX столетии стены Троицкой церкви расписали. Тогда же был перекрыт алюминием первоначальный типичный для барокко синий фон иконостаса.
Среди икон иконостаса наиболее интересными являются иконы XVII века. Одна из них имеет подпись: “… писал сей образ иконописец Иван Максимов 1675 года” . Большое количество местных иконников, имевшихся у князей Черкасских, когда выполнялся иконостас, позволяет утверждать, что иконы Останкинской церкви писались своими же крепостными живописцами, которые жили в Останкине и соседней слободе Марьиной.
В отличие от главного, иконостасы приделов быстро обветшали, иконы в них потемнели. Первым был перестроен иконостас Тихвинского придела по проекту крепостного архитектора Прахаева в стиле русского классицизма начала XIX века, а иконы написаны крепостным живописцем И. С. Калининым (сыном театрального декоратора) . Резьба этого иконостаса была выполнена в 1836 году резчиком И. Прокофьевым, а позолота — местным позолотчиком И. Мандрыгиным.
В 1842 году резчиком И. Прокофьевым и позолотчиком В. Жарковым был переделан и старый иконостас в приделе Александра Свирского. Крепостной живописец И. Широков (брат отца художника Н. Подключникова) написал для этого иконостаса иконы, а в 1840 году расписал стены церкви.
Таким образом, все художественные работы в Останкинской церкви исполнялись исключительно крепостными мастерами XVII, XVIII и XIX веков. Церковные песнопения и духовные концерты также сочинялись местными композиторами: С. Дегтяревым, Ф. Божко, Г. Ломакиным, Алабушевым и другими.
О прежнем богатстве церковного имущества свидетельствует уцелевшая опись церкви 1754 года.
Из наиболее ценных художественных произведений этой церкви следует отметить икону деисуса работы Симона Ушакова, складень строгановского письма середины 17 века, принадлежавший фельдмаршалу Петра I графу Б. П. Шереметеву, иконы работы царских изографов и особенно прекрасную деревянную скульптуру в Останкино с соседнего погоста Ерденева.Останкинская церковь с ее богатством орнаментики, узорчатостью, нарядностью оказала огромное влияние на развитие русской национальной архитектуры. Во второй половине XIX века сторонниками возрождения узорочного стиля были взяты за основу ее декоративные формы для строительства многих зданий в Москве. Начали появляться эклектические постройки, архитектура которых была навеяна, по словам их современников, “русской останковщиной” . Однако то, что так естественно и высокохудожественно было воплощено в XIX веке, где яркая, нарядная глубоко национальная архитектура сливалась воедино со всем русским искусством, не могло быть повторено в иных культурных и политических условиях и, как всякая эклектика, было неизбежно обречено на неудачу.