Первое упоминание о деревянном храме на Соборном холме относится к 1015 году. В период существования Вяземского удельного княжества (1239–1403 годы) этот храм служил соборным. В 1597–1598 годах, по указу царя Бориса Годунова, обветшавший Никольский собор был разобран, и на его месте возведён новый храм с приделами во имя Сергия Радонежского, Трёх Святителей и Рождества Христова. В 1610 году этот храм был разрушен польскими отрядами под предводительством гетмана Станислава Жолкевского. В 1635 году, по распоряжению царя Михаила Фёдоровича, собор был восстановлен и переосвящён из Никольского в Троицкий в честь заключения Поляновского мира. В 1674–1676 годах, на средства царя Алексея Михайловича, был построен каменный собор, сохранившийся до наших дней.
Архитектурно собор представляет собой бесстолпный храм с тремя апсидами, увенчанный пирамидой кокошников и стройной главой, характерными для московских памятников конца XVI – начала XVII века. Широкая трапезная и массивная трёхъярусная колокольня, высотой 46 метров, выполнены в формах классицизма с элементами русского стиля середины XIX века.
В 1765 году в собор была перенесена икона Иверской Божией Матери, что способствовало увеличению его значимости. В период Отечественной войны 1812 года храм был разграблен и частично разрушен, однако впоследствии восстановлен. В 1850 году была построена каменная четырёхъярусная колокольня. В 1929 году собор был закрыт, а его имущество конфисковано. В конце 1941 года богослужения в храме были возобновлены. В последующие десятилетия проводились реставрационные работы, направленные на восстановление первоначального облика собора.
