Первое упоминание о деревянной церкви во имя Живоначальной Троицы в Калужском кремле относится к XVI веку. В Никоновской летописи под 1610 годом зафиксировано погребение у стен этого храма тела Лжедмитрия II. В 1619 году здание сгорело во время разорения города запорожскими казаками и было восстановлено в 1626 году на средства боярина Романова. К 1686 году обветшавший храм заменён каменным собором, возведённым на средства боярыни А.П. Хитрово. Это сооружение стало первым каменным зданием в Калуге.
В 1786 году по повелению Екатерины II начато строительство нового собора к северу от старого. Первоначальный проект разработал губернский архитектор Пётр Никитин. К 1788 году возведён фундамент и цоколь, но работы приостановлены из-за войны. В 1803 году строительство продолжено по переработанному проекту Ивана Ясныгина. Особенностью конструкции стал безопорный купол диаметром 16,75 м — крупнейший в России на тот период. Основные строительные работы завершены к 1811 году.
Первый иконостас, созданный по проекту Матвея Казакова, погиб при московском пожаре 1812 года. В 1814 году установлен новый иконостас, изготовленный мастером Дмитриевым в Калуге. Торжественное освящение собора состоялось 10 (22) апреля 1819 года. Главный престол посвящён Живоначальной Троице, северный придел — Тихвинской иконе Божией Матери, южный — Калужской иконе Божией Матери.
В 1866 году в собор перенесено знамя Азовского пехотного полка, связанное с подвигом унтер-офицера С.А. Старичкова в 1805 году. В 1894 году по инициативе губернатора А.Г. Булыгина вокруг собора разбит Владимирский сквер.
В 1924 году собор закрыт советской властью. В 1930-е годы утрачены оригинальный иконостас и элементы внутреннего убранства. Здание использовалось как Дом обороны, кинотеатр, зверинец и выставочный зал. В октябре 1941 года при отступлении советских войск собор подожжён.
В июле 1991 года здание возвращено Калужской епархии. К 1997 году проведены основные восстановительные работы. 24 августа 1999 года собору присвоен статус кафедрального. В 2001 году установлен новый иконостас.
