К началу XIX века в Клину существовали два основных храма: древнейший — Успенский, построенный в XVI веке, и Воскресенский храм, возведённый в начале XVIII века. Однако с ростом населения возникла необходимость в более вместительном соборе, что и послужило причиной для строительства нового храма. В 1802 году, с благословения митрополита Московского Платона (Левшина), началось возведение Троицкого собора. Строительство велось на средства горожан и продолжалось более трёх десятилетий, завершившись в 1836 году.
Архитектурный проект собора выполнен в стиле классицизма. Здание представляет собой большой кирпичный четырёхстолпный храм с одной апсидой. Высота собора составляет 25 метров. Фасады украшены пилястрами, объединяющими два яруса, с полуциркульными окнами и круглыми окнами-отдушинами в верхней части. Иконостас собора был спроектирован известным архитектором Осипом Ивановичем Бове, что подчёркивает художественную ценность внутреннего убранства храма.
24 мая 1836 года собор был освящён митрополитом Московским Филаретом (Дроздовым). Основной престол был посвящён Святой Троице, а в трапезной части располагались два придела: в честь Казанской иконы Божией Матери и святителя Николая Чудотворца. Первоначально собор был холодным, а трапезные приделы — тёплыми; печь для обогрева собора была установлена лишь в 1891 году.
Троицкий собор стал центральным элементом соборного комплекса Клина, в который также входили Воскресенский храм, трёхъярусная шатровая колокольня и здание церковно-приходской школы. Колокольня, построенная в конце XVIII века, имела 12 колоколов, главный из которых весил 5,5 тонн. Этот архитектурный ансамбль формировал облик центральной части города и служил духовным центром для местных жителей.
В советский период собор подвергся значительным изменениям. В 1929 году он был закрыт и переоборудован под столовую. Колокольню использовали как водонапорную башню, а здание церковно-приходской школы стало общежитием профессионально-технического училища. Во время Великой Отечественной войны в свод собора попала авиабомба, и до 1955 года здание оставалось в заброшенном состоянии. После войны собор был перестроен в дом культуры, что привело к утрате многих оригинальных архитектурных элементов.
Возрождение собора началось в 1992 году, когда Русской Православной Церкви была возвращена колокольня, а позже и Воскресенский храм. 28 ноября 2008 года решением главы района Александра Постриганя Троицкий собор был официально передан Русской Православной Церкви. 2 декабря 2008 года в соборе состоялась первая после долгого перерыва Божественная литургия, ознаменовавшая возобновление его духовной жизни.
В настоящее время в соборе проводятся реставрационные работы, направленные на восстановление его исторического облика и внутреннего убранства. Реставрация осуществляется под руководством архитектора Анисимова, и её сроки зависят от объёма пожертвований. Особое внимание уделяется восстановлению иконостаса и других элементов интерьера. Планируется установка памятника митрополиту Филарету, освятившему собор в 1836 году, перед главным входом в храм.