Кафедральный собор Троицы Живоначальной в городе Троицке Челябинской области был основан в середине XVIII века. Храм посвящен Пресвятой Троице, в честь которой также названа крепость, заложенная оренбургским генерал-губернатором Иваном Неплюевым 22 мая 1743 года, в день праздника Троицы. Каменное здание собора на берегу реки Уй начали возводить в 1754 году, строительство завершили в 1762 году. Первоначальный архитектурный облик храма включал одноэтажное четырёхстолпное сооружение с четырьмя глухими барабанами по углам и центральным световым барабаном, увенчанными шлемовидными главами.
В 1820-х годах к собору пристроили колокольню в стиле классицизма и два придела: южный — в честь Успения Божией Матери и северный — во имя святителя Николая Чудотворца. Пожар 1842 года нанес значительные повреждения зданию, но в ходе восстановительных работ храм был расширен. С западной стороны возвели четырёхъярусную колокольню, над алтарной частью появился новый барабан с главкой, над трапезной — два дополнительных барабана. В результате реконструкции собор приобрел девятиглавое завершение.
В 1920-х годах, с образованием Челябинской и Троицкой епархии, Свято-Троицкий храм получил статус кафедрального собора. В советский период власти неоднократно предпринимали попытки закрыть храм. В 1940 году собор окончательно закрыли и переоборудовали под общежитие для рабочих. Пожар 1974 года уничтожил четыре из пяти глав, сохранился лишь центральный барабан без купола.
В 1997 году здание возвращено Русской Православной Церкви и начаты реставрационные работы. К концу 2000 года восстановлены и освящены два придела: левый — в честь преподобного Серафима Саровского и правый — в честь Святых Царственных Страстотерпцев. Собор признан объектом культурного наследия федерального значения.
