Свято-Троицкий собор в городе Онега является первым каменным храмом города. Его строительство началось в 1796 году по указу Екатерины II, выделившей 8 000 рублей, с дополнением средств от горожан. Собор возведен по генеральному плану 1784 года, предусматривавшему его размещение в центре города на возвышенности. Здание выполнено в стиле классицизма, с двухэтажной структурой: нижний теплый храм освящен в 1800 году в честь Архангела Михаила, верхний холодный — в 1814 году во имя Пресвятой Троицы. В 1837 году в трапезной нижнего храма освятили придел Николая Чудотворца.
28 ноября 1848 года во время литургии в нижнем храме произошел пожар, уничтоживший деревянные конструкции верхнего храма и колокольни. Восстановление завершилось к 1860 году. В конце XIX века проведены капитальные ремонты: обновлен иконостас, стены окрашены, колонны отделаны под мрамор, сооружена каменная ограда.
В 1930 году собор закрыт. Здание использовалось под детскую техническую станцию, склад музея, партком, в годы войны — под конюшню и квартиры командного состава. С 1948 года здесь размещались Дом пионеров и клуб, а с 1989 года — краеведческий музей. В 2002 году собор возвращен Русской Православной Церкви. Восстановлены колокольня и купол, возобновлены богослужения в верхнем храме. Нижний храм остается на реставрации.
Среди утраченных святынь — древнее Евангелие 1601 года и богатый иконостас. Сохранились обретенные в постсоветский период икона Божией Матери «Знамение» и Онежский крест-мощевик, обнаруженный в 1998 году.
