Строительство собора было начато в 1684 году на месте ранее существовавшей деревянной церкви, уничтоженной пожаром. Инициатива возведения нового каменного храма исходила от соликамских посадских людей, однако вскоре средства, собранные местным населением, оказались недостаточными для завершения строительства. В 1688 году по указу царей Иоанна и Петра Алексеевичей было выделено 200 рублей из местных таможенных и кабацких доходов, что позволило продолжить работы. В память о царском пожертвовании в южной стене храма был установлен изразец с изображением двуглавого орла, а на западном фасаде выложена кирпичная корона.
Освящение приделов собора происходило поэтапно: в 1689 году был освящён придел Иоанна Предтечи, в 1693 году — придел Николая Чудотворца, а в 1697 году — основной престол во имя Святой Троицы. Собор неоднократно подвергался повреждениям в результате городских пожаров в 1711, 1741 и 1743 годах, после чего проводились восстановительные работы.
Архитектурно собор представляет собой пятиглавое сооружение, построенное на высоком сводчатом подклете. Кубический основной объём окружён с трёх сторон галереей-трапезной и дополнен двумя приделами: северным — Иоанна Предтечи и южным — Николая Чудотворца. Фасады украшены разнообразными декоративными элементами, включая кокошники, жучковый орнамент и поливные изразцы с изображениями птиц. Особое внимание привлекают два сохранившихся крыльца: северное с шатровой кровлей и западное, отличающееся широкой лестницей и массивными столбами.
Внутреннее пространство собора перекрыто сомкнутыми сводами и освещается через окна, расположенные в верхнем ярусе. Первоначальный иконостас был перенесён в начале XIX века в Соликамский мужской монастырь, а на его месте в 1824 году был установлен новый, выполненный по образцу иконостаса Казанского собора в Санкт-Петербурге. В соборе хранились иконы Святой Троицы и Богоматери в серебряных окладах, а также образ святителя Николая Чудотворца, пожалованный городу Иваном Грозным.
В 1916 году собор стал центральным храмом новоучреждённого Соликамского викариатства Пермской епархии. В 1917–1918 годах в нём служил епископ Соликамский Феофан. В 1929 году собор был закрыт и передан краеведческому музею. Во время Великой Отечественной войны в его стенах хранились фонды эвакуированных музеев из центральной части страны. В настоящее время в здании размещаются экспозиции Соликамского краеведческого музея.
