Свято-Троицкий скит основан в начале XVII века. Устроителем скита почитается преподобный Елеазар. Он был принят в число братии Соловецкого монастыря преподобным Иринархом, игуменом обители. Стремясь к отшельнической жизни, инок Елеазар удалился на остров Анзер в 1615 году.
Анзер был необитаем и лишь иногда служил пристанищем для беломорских рыбаков. В XVI веке на острове были устроены монастырские солеварни, на которых работало более 70 человек. В 1583 году на Анзер перенесли из монастыря деревянную церковь святителя Николая Чудотворца. В конце XVI века солеварни были закрыты, и остров снова опустел. На Анзере в уединении селились лишь иноки, искавшие пустынножительства.
В Соловецком патерике упоминается, что в 1616 году инок Елеазар встретился на острове с иеромонахом Фирсом « и принял от него пострижение в схиму». К подвижнику стали приходить люди, стремившиеся к отшельнической жизни, и селиться поблизости от его келии.
Спустя 4 года игумен Иринарх благословил устроить скит на берегу Троицкой губы на месте чудесного явления, где, по преданию, монастырские рыбаки видели «столп огнен, до небес восходящ».
Об анзерских пустынножителях стало известно царскому двору. На пожертвования царицы Марфы в 1621 году была построена в скиту деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы с приделом в честь преподобного Михаила Малеина (небесного покровителя царя Михаила Феодоровича). Для нового храма государыня пожаловала книги, иконы и церковную утварь. Строителем (скитоначальником) с 1624 года был назначен преподобный Елеазар. Братия скита жила по обычаю древних иноков: «каждый пустынник имел особую келию, на некотором расстоянии от других, пребывая в ней в посте и молитве, занимаясь каким-либо рукоделием для своего пропитания, никого не принимал к себе и сам не ходил, кроме собрания на общую молитву». После недели труда и молитв иноки собирались в субботу вечером на общую службу в храме. В воскресенье утром, по окончании литургии, совершали чин прощения и в молчании расходились по келиям.
Через несколько лет преподобный Елеазар был приглашен в Москву и представлен царю Михаилу Феодоровичу. Анзерский пустынник, имея дар прозорливости, предсказал ему скорое рождение долгожданного наследника престола - будущего государя Алексея Михайловича.
В знак царской милости Свято-Троицкий скит в 1633 году был отделен от Соловецкого монастыря и получил самостоятельность.
В начале 1630-х годов в скиту принял монашеский постриг священник Никита Минов, будущий патриарх Никон. Он участвовал в украшении храма: по благословению преподобного Елеазара написал на холсте Нерукотворный образ Спасителя. В Анзерском скиту он прожил всего три года и, в 1635 году, покинул скит.
В царствование Алексея Михайловича с 1646 года на Анзере началось строительство каменной Свято-Троицкой церкви с двумя приделами: в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение» и во имя преподобного Михаила Малеина.
Усердными трудами преподобного Елеазара и его сподвижников на отдаленном северном острове был устроен скит для иноков-пустынножителей, сооружены келии и каменный храм с трапезной палатой.
«Среди разнообразных забот о благоустроении своего скита преподобный Елеазар приближался к кончине и созревал для вечности. Опыты своей духовной жизни он изложил в рукописи и сохранил их на память ищущим спасения. «В одно время стою я перед образом Христа Спасителя и со слезами молюсь, говоря: Владыко Христе, Царь и Создатель мой! Что воздам за Твою ко мне милость? Ничто же благо сотворих пред Тобою, - и вижу, как бы голубь прикоснулся к моему лицу и, сказав: «Богу принесу слезы твоя», стал невидим. После сего возрадовалась душа моя».
13 января 1656 года преподобный Елеазар отошел ко Господу.
Смута, связанная с исправлением богослужебных книг и неприятием церковной реформы патриарха Никона, охватившая Соловецкий монастырь в 1668 - 1676 годах, коснулась и Анзера. Монастырь, оказавший сопротивление царскому войску, был захвачен, а насельники обители жестоко наказаны. Анзерский скит за поддержку мятежной Соловецкой обители был разорен.
Назначенный в 1676 году архимандрит Макарий призван был восстановить в обители благочиние.
Царь Феодор Алексеевич простил опальный монастырь, но, опасаясь распространения церковного раскола, в 1682 году перевел обитель из ведения митрополитов Новгородских во вновь учрежденную Холмогорскую и Важескую епархию.
Через год указом архиепископа Холмогорского Афанасия скит был передан Соловецкому монастырю. Насельники скита (17 человек) получали жалованье на питание и церковные нужды. Денег на содержание скита не хватало, иноки терпели лишения.
На Анзер в 1702 году был переведен иеромонах Иов, прежний духовник царской семьи (в миру - священник Иоанн Иоаннов, по указу царя сосланный на север и постриженный в монашество в Соловецком монастыре).
Через два года по благословению соловецкого архимандрита Фирса он стал строителем Свято-Троицкого скита. Скитоначальник возобновил строгий скитский устав, пополнил хозяйственные припасы, начал ремонт ветхих строений, восстановление библиотеки.
Преподобный Иов с 1712 года начал заботиться об устроении на Анзере Голгофо-Распятского скита. Строителем Свято-Троицкого скита в 1714 году стал иеромонах Паисий.
В начале 1740-х годов при строителе Глебе в скиту был обновлен каменный храм во имя Живоначальной Троицы, поставлена высокая колокольня. Над местом погребения преподобного Елеазара построена новая деревянная часовня.
В 1757 году обретены святые мощи преподобного Елеазара и сооружена каменная часовня.
В 1801 - 1803 годах к Свято-Троицкому храму пристроен каменный двухэтажный братский корпус. В 1829 году поставлен деревянный двухэтажный корпус для трудников и паломников, в 1837 году - валунная баня и другие хозяйственные постройки. Несколько позднее возведена деревянная часовня в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение».
По проекту архангельского архитектора Введенского в 1880-1884 годах заново отстроен Свято-Троицкий храм, перестроена колокольня. В это время в скиту были обновлены жилые и хозяйственные постройки, деревянные сооружения. Архитектурный облик скита значительно изменился, поскольку храм сооружен в неорусском стиле в отличие от церкви XVIII века, которая была построена в стиле барокко.
В XIX веке в числе иноков скита были подвижники: старец Наум, иеросхимонах Иероним (Лукин), пустынник Филипп, которые своей благочестивой жизнью заслужили уважение братии, и память о них сохраняется в истории Анзерского скита и Соловецкой обители.
В «Историческом описании Свято-Троицкого Анзерского скита», которое вышло в 1914 году, говорилось, что в Анзерский скит уходят по благословению настоятеля Соловецкого монастыря «испытанные в благочестии старцы, чтобы в отдаленном уединении и тишине беспрепятственно предаваться молитвенному подвижничеству и в безмолвии, внимая своему спасению, беседовать с единым Богом».
В 1924 году, после закрытия Соловецкого монастыря, на Анзере было создано VI отделение Соловецкого лагеря особого назначения. Скит стал административным центром анзерского отделения. Здесь содержали духовенство и политзаключенных. В 1929 - 1931 годах в келейном корпусе скита находились в заключении инокини из разных монастырей. Анзерское отделение Соловецкой тюрьмы существовало до 1939 года.
После второй мировой войны на острове располагались различные подразделения вооруженных сил. Строения Свято-Троицкого скита использовались с хозяйственными целями. Колхозники беломорского села Летняя Золотица заготавливали на Анзере сено. Заброшенный скит подвергался бесконтрольной и зачастую варварской эксплуатации.
С 1967 года все здания и сооружения скита перешли в ведение Соловецкого государственного историко-архитектурного и природного музея-заповедника. В 1994 году начались реставрационные работы под руководством В.В.Сошина.
После возрождения иноческой жизни в Соловецком монастыре Святейший Патриарх Алексий II благословил совершать Божественную литургию во всех сохранившихся храмах и приделах Соловецкого монастыря, его скитов и пустыней. В престольный праздник Свято-Троицкого храма в 1992 году состоялось богослужение: Всенощное бдение и Божественная литургия.
В настоящее время церковь и келейный корпус требуют восстановления и благоустройства. Регулярные богослужения в храме не проводятся. Келейный корпус скита непригоден для постоянного проживания братии.
С 2002 года по решению Святейшего Патриарха Алексия II скит находится на попечении Свято-Троицкой Сергиевой Лавры.