Строительством руководил боровичский архитектор и живописец Е. И. Марин, который скончался в 1860 году, не дожив до завершения работ.Торжественное освящение собора состоялось в 1862 году.
Архитектурно собор выполнен в стиле ампир и имеет крестообразный план. Фасады с трёх сторон украшены четырёхколонными портиками, а пятикупольная композиция с массивным центральным барабаном, окружённым четырьмя малыми, придаёт зданию величественный вид. Внутреннее пространство поддерживается четырьмя массивными столбами, отделанными под мрамор. Собор имел три престола: главный — во имя Пресвятой Троицы, правый — в честь Казанской иконы Божией Матери, левый — во имя святых апостолов Петра и Павла.
В 1901 году в соборе служил святой праведный Иоанн Кронштадтский, а в 1909 году его посетил епископ Тихвинский Андроник. В 1905 году были обновлены иконостасы и выполнена роспись стен, включая изображение Господа Саваофа в центральном куполе.
После революции собор был закрыт и в 1930 году переоборудован в городской театр. Купола были сняты, а здание подверглось значительным изменениям. Впоследствии в здании располагался Городской Дом культуры.
