Свято-Троицкий кафедральный собор в Нижнем Тагиле был возведен на месте старообрядческой часовни, построенной в 1745 году диаконом Андреем Ивановичем Рябининым. Часовня сгорела через четыре года, и в 1781 году на ее месте была возведена каменная часовня с кельями для женщин-послушниц. После смерти Рябинина часовня перешла к старообрядцам и стала центром Нижнетагильского Свято-Троицкого общества.
В первой половине XIX века началась активная борьба официального духовенства с раскольниками. В 1837 году старообрядцы попытались обратиться к наследнику престола Александру Николаевичу с просьбой о защите, но их прошения были отклонены. В 1840 году по указу императора Николая I часовня была передана единоверцам, что вызвало сопротивление старообрядцев. 15 мая 1840 года часовня была взята штурмом с применением пожарных машин, после чего на ней установили православный крест.
27 декабря 1841 года Святейший Синод принял решение о преобразовании часовни в единоверческую церковь. 4 июня 1842 года церковь была освящена. В 1877 году началось строительство нового каменного храма, которое завершилось в 1887 году. Главный Троицкий престол был освящен в 1885 году, приделы Святого Николая Угодника и Рождества Пресвятой Богородицы — в 1886 и 1887 годах соответственно. В 1894 году все три престола были заменены из-за ветхости.
В 1930-х годах храм был закрыт, кресты и колокола сняты, а внутреннее убранство уничтожено. Здание использовалось под склады, мастерские и гараж. В 1991 году храм был возвращен Русской православной церкви. Начались восстановительные работы, и в 1992 году состоялась первая Божественная литургия. В 2012 году храм получил статус кафедрального собора.
Архитектурный стиль собора сочетает элементы русско-византийского направления, петровского барокко и классицизма. Колокольня, построенная в 1853 году, была одной из самых высоких в Нижнем Тагиле и напоминала колокольню Ивана Великого в Москве. В настоящее время в соборе ведутся работы по росписи стен библейскими сюжетами в древнерусском стиле.