Первое известие о соборе восходит к 1610 г. Под этой датой собор упоминается в Никоновской летописи в связи с похоронами рядом с храмом Лжедмитрия II (Тушинского вора). По некоторым данным, этот деревянный собор был сожжен запорожцами в 1618 году и второй был выстроен боярином Романовым. Со временем этот храм пришел в ветхость, и около 1687 г. был построен новый каменный. Через сто лет и этот храм обветшал, и с 1786 г. начато построение теперешнего собора.В 1808 г. работы подходили к концу и собор был окончен в 1811 году. Такая задержка была из-за губернского архитектора Ивана Денисовича Ясныгина, который спланировал уникальный купол храма.
Уникальность заключается в том, что его полукруглый семнадцатиметровый купол в византийском стиле построен без использования внутренних опор. Он больше купола Казанского собора в Санкт-Петербурге на 2,5 метра. В колокольне храма устроены часы с циферблатом на четыре стороны. 70-тиметровую колокольню венчает длинный шпиль.
После революции собор был закрыт, и здание его использовалось под хозяйственные нужды. Во время войны здание собора сильно пострадало. Он был подожжен изнутри. С 1991 года начинается восстановление собора. В праздник Святой Троицы 1999 г. в главном приделе была совершена первая после восстановления собора Божественная литургия. 24 августа 1999 г. Указом Святейшего Патриарха Московского восстановленному Свято-Троицкому собору был присвоен статус кафедрального собора.
