В 1846 году на правом берегу реки Клязьмы возникла слобода Щёлково, которая вскоре превратилась в развитое фабрично-торговое поселение с тысячами рабочих. К началу XX века численность населения значительно возросла, что обусловило необходимость строительства нового храма для обеспечивания духовного окормления жителей. 31 августа 1909 года жители Щёлковской слободы обратились к митрополиту Московскому и Коломенскому Владимиру с просьбой о возведении нового храма. Благословение было получено, и вскоре был организован строительный комитет, председателем которого стал владелец щёлковской суконной фабрики Александр Иванович Синицын. Он выделил под строительство храма участок земли площадью 1200 квадратных саженей.
Проект храма разработал московский архитектор Сергей Михайлович Гончаров (1862–1935), дальний родственник Натальи Николаевны Гончаровой, жены А.С. Пушкина. Архитектурное решение храма выполнено в стиле неоготики, что придаёт ему уникальность среди православных храмов того времени. Внешний облик собора характеризуется стрельчатыми арками, высокими окнами и декоративными элементами, типичными для готического стиля.
31 мая 1912 года депутация из Щёлкова, состоящая из председателя строительного комитета А.И. Синицына и других жителей, обратилась к императору Николаю II с ходатайством о присвоении строящемуся храму наименования «В память рождения Наследника Цесаревича». Император дал своё соизволение, и один из приделов храма был освящён в честь святителя Алексия, митрополита Московского, небесного покровителя наследника.
Строительство храма велось с 1909 по 1916 годы. В октябре 1915 года была завершена постройка каменного здания храма, после чего началась внутренняя отделка и электрификация. 13 ноября 1916 года епископом Верейским Модестом (Никитиным) был освящён главный престол храма во имя Святой Троицы. Собор имел три алтаря в верхнем храме: главный — во имя Святой Троицы, правый — во имя Успения Пресвятой Богородицы и левый — в честь святителя Алексия, митрополита Московского и всея Руси. Нижний храм был посвящён мученицам Вере, Надежде, Любови и матери их Софии.
После Октябрьской революции 1917 года богослужения в соборе продолжались до 1929 года. Затем храм был закрыт и переоборудован в городской театр, благодаря отличной акустике в нём проводились концерты с участием известных оперных исполнителей, таких как А. Нежданова и Л. Собинов. Позже здание использовалось как клуб, а затем было закрыто. Во время Великой Отечественной войны в соборе разместили литейный цех Опытного завода химического машиностроения, где изготавливали гранаты. В этот период были демонтированы купол и два верхних яруса колокольни, а внутри храма установлена металлическая эстакада для кран-балки.
В 1980 году планировался снос храма, однако благодаря проведению Олимпийских игр в Москве и близости одной из спортивных трасс, эти планы были отложены. В октябре 1990 года решением Щёлковского горсовета Троицкий собор был передан верующим. 17 марта 1991 года в храме была совершена первая Божественная литургия после долгого перерыва. С этого момента начались регулярные богослужения, а также активная работа по восстановлению и реставрации собора.
Одним из значимых этапов восстановления стало сооружение нового иконостаса. Работы по его возведению начались в 2006 году под руководством архитектора В.И. Симиненко из художественной организации «Терем». Иконостас выполнен из фаянса и является самым большим в России: его высота составляет 11 метров, а ширина — 24 метра.
5 декабря 2010 года митрополитом Крутицким и Коломенским Ювеналием были освящены все престолы собора. В настоящее время Троицкий собор является действующим храмом, где ежедневно совершаются богослужения. В храме находится икона преподобного Серафима Саровского, которая, по преданию, была спасена прихожанами во время гонений и чудесным образом обновилась после возвращения в храм.
