Троицкий собор, полное название которого — Собор во имя Святой Живоначальной Троицы лейб-гвардии Измайловского полка, был возведен в 1835 году по проекту архитектора Василия Стасова. Строительство началось в 1828 году по указу императора Николая I. Храм предназначался для Измайловского полка, одного из старейших гвардейских полков Российской империи, основанного в 1730 году.
Первая деревянная церковь на этом месте была построена в 1754–1756 годах по повелению императрицы Елизаветы Петровны. Она имела два придела, главный из которых был освящен в честь Святой Троицы. Храм пострадал во время наводнения 1824 года, что привело к необходимости его замены каменным сооружением.
Архитектурный стиль собора относится к позднему классицизму с элементами ампира. Высота сооружения составляет 80 метров, что делает его одним из самых высоких православных храмов Санкт-Петербурга. В плане собор представляет собой равноконечный крест с центральным куполом и четырьмя малыми куполами по углам.
В 1922 году в ходе кампании по изъятию церковных ценностей собор был разграблен. В 1938 году храм закрыли для богослужений. В советский период здание использовалось как складское помещение. Возвращение собора Русской Православной Церкви произошло в 1990 году.
25 августа 2006 года в ходе реставрационных работ произошел пожар, приведший к обрушению главного купола. Реставрация была завершена к 2010 году. В соборе сохранились памятные доски с именами офицеров Измайловского полка, погибших в сражениях XIX века.