Впервые Троицкая церковь упоминается в архивных документах от 20 марта 1782 года. Изначально на этом месте находилась деревянная часовня, построенная в 1782 году. В 1810 году деревянное здание было уничтожено пожаром, что послужило причиной для возведения нового каменного храма. Строительство началось в 1812 году, и уже 2 ноября 1814 года протоиереем Захарием Лятушевичем было совершено его освящение.
В период с 1852 по 1857 год к храму была пристроена низкая колокольня по проекту архитектора И.Т. Коковихина. В 1912–1914 годах была возведена трёхъярусная колокольня по проекту архитектора И.А. Чарушина, что значительно изменило облик собора.
В 1937 году, в ходе антирелигиозной кампании, собор был закрыт, а его духовенство подверглось репрессиям. Колокола были сброшены, купол и алтарная часть разобраны. Однако уже в 1945 году храм был возвращён верующим, и 17 марта 1946 года состоялась первая служба после открытия. 12 сентября 1946 года был освящён главный престол во имя Живоначальной Троицы, и собор стал кафедральным.
С 1985 по 1991 год по проекту архитектора С.А. Макарова были проведены значительные реставрационные работы: построена одноярусная колокольня, двухэтажные пристройки к собору, а также крестильный храм во имя святого пророка Иоанна Предтечи. В 2000 году на территории собора был возведён новый храм во имя великомученика и целителя Пантелеимона.
В настоящее время Собор Святой Троицы является действующим храмом, в котором регулярно проводятся богослужения. При соборе функционирует воскресная школа, деятельность которой направлена на приобщение детей к православной культуре и церковному пению.
