Львівський дослідник Володимир Вуйцик припускав, що церква спочатку була дерев'яною і знаходилась дещо ближче до Замкової гори. Над головним вхідним порталом церкви розміщено дату 1518.

Близько 1550 року на кошти князя Костянтина Острозького завершене будівництво двох нових мурованих церков на нинішньому їх місці. Це були церкви св. Онуфрія і св. Трійці, що прилягали одна до одної, але фактично функціонували окремо, кожна — із власним входом. Однак дослідження 1993 року, проведені Костянтином Присяжним, Миколою Бевзом, А. Мартинюк та студентами В. Романюком, В. Рижим та В. Накопало, показали, що кладка з коленого каменю, збережена аж до вінцевого карнизу основної нави, має давніше походження. За новою версією 1550 року скоріш за все проведено лише реконструкцію, під час якої збоку прибудовано другий храм (св. Трійці). Водночас у самої церкви св. Онуфрія розібрано чільну стіну фасаду, храм видовжено і перемуровано склепіння. Відповідно постав ряд наразі нерозв'язаних питань про те, якими були первісні склепіння, чи існували бані.

Після пожежі 1623 р., нападу 1655 р., турецько-татарської облоги 1672 року храм відбудовано і наново освячено 10 жовтня 1680 єпископом Йосифом Шумлянським. 1770 року невідомий почаївський архітектор виконав проект повністю нової церкви і монастиря у барокових формах, котрий однак не був реалізований. Автором проекту був, ймовірно, Готфрід Гофман. 1776 року церкви з'єднали в один об'єм під керівництвом архітектора Франциска Кульчицького. 1777 року було розібрано стіну, що відділяла наву від презбітерію, мала проходи на місці царських і дияконських врат іконостасу. Дана стіна — архаїчний архітектурний елемент, характерний для українських церков XV–XVI ст. Одночасно підлогу вівтарної частини піднято на дві сходинки. 1821 р. або 1824 року за проектом Франца Трешера (молодшого) добудовано притвор. У 1902 р. за проектом Едґара Ковача будівничий Іван Левинський спорудив північну наву, у результаті чого пам'ятка має вигляд тринавного храму. Сучасний вигляд церкви — це конгломерат різночасових нашарувань. 1906 року храм розписаний художником Йозефом Балою поверх стінопису Мартина Яблонського 1854 року.

Про іконостас церкви відомо, що 1777 року він був перебудований за зразком іконостасу церкви св. Миколая, львівським різьбярем Іваном Щуровським. До нашого часу не зберігся. 1820 року новий іконостас виконаний Лукою Долинським. 1908 року його замінено новим, з іконами Модеста Сосенка, із різьбою на зразок краснопущанського іконостаса.