В 1598 году, после завершения строительства Бабиновской дороги, соединяющей Центральную Россию с Сибирью, на месте нынешнего Верхотурья была заложена деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы. Этот храм был построен одновременно с острогом и первоначально служил походно-полевой церковью на пограничной заставе. С развитием поселения и превращением его в торговый город Троицкий храм стал центральным городским собором.
В 1607 году, в связи с необходимостью проведения богослужений в холодное время года, местный воевода обратился с просьбой о строительстве теплого храма. После получения разрешения к Троицкой церкви был пристроен теплый придел в честь Рождества Христова.
В августе 1696 года воевода Козлов получил указ от царя Петра I о начале строительства каменного кремля в Верхотурье. В 1703 году, по царскому указу, на месте деревянного храма началось возведение каменного Троицкого собора. Строительство велось соликамскими мастерами и продолжалось до 1712 года. Главный престол был освящен 16 апреля 1709 года.
Архитектурно Троицкий собор представляет собой образец московского барокко на Урале. Здание имеет крестообразную форму с пятью главами, центральная из которых доминирует. Фасады украшены декоративными элементами, характерными для стиля барокко. Внутреннее убранство включает иконостас и росписи, выполненные в соответствии с канонами православной церкви.
В 1738 году пожар повредил деревянные конструкции глав и крыши храма. Восстановительные работы были завершены к 1739 году, когда состоялось повторное освящение собора. В 1825 году собор был обнесен каменной оградой, а деревянная кровля заменена на металлическую.
В 1932 году, в период антирелигиозной политики советского государства, Троицкий собор был закрыт. Здание использовалось в различных хозяйственных целях, что привело к утрате многих элементов внутреннего убранства.
