Первоначально на месте современного собора в XIV веке существовала деревянная церковь, предположительно основанная в 1380 году. В XVI веке на её месте был возведён первый каменный храм. В 1696 году собор был перестроен на средства архимандрита Московского Спасо-Андроникова монастыря Феодосия, ранее служившего священником в этом соборе.
В XVII веке собор завершался пятиглавием и имел с северной стороны придел святого мученика Димитрия Солунского, который впоследствии был разобран. В период с 1837 по 1841 годы храм подвергся значительной перестройке в духе классицизма: были изменены колокольня и восьмерик храма, добавлен придел святителя Николая Мирликийского, фасады получили декор в стиле ампир, а также был восстановлен придел святого мученика Димитрия Солунского.
В конце 1930-х годов собор был закрыт. В период с 1967 по 1970 годы архитектор Николай Николаевич Свешников провёл работы по раскрытию колокольни XVII века, которая сохранилась под обкладкой и куполом XIX века.
С 1985 года по 2011 год в здании собора располагался краеведческий филиал Серпуховского историко-художественного музея. В 2011 году собор был передан в ведение Русской Православной Церкви, и в нём возобновились богослужения. С июля 2017 года в храме проводится реконструкция, включающая восстановление разрушенных и обветшавших частей колокольни и фасада. Литургии проводятся по расписанию храма.
Архитектурно Троицкий собор представляет собой каменный храм типа «восьмерик на четверике» с трапезной в стиле московского барокко и шатровой колокольней. Первоначально восьмерик увенчивался пятиглавием. Кладка частично включает элементы здания XVI века. В ходе реконструкций были добавлены элементы в стилях классицизм и ампир.
Троицкий собор ныне представляет собой каменный храм типа «восьмерик на четверике» с тремя сильно выдвинутыми к востоку апсидами. До 1807 года он завершался пятиглавием. К западу от собора находится шатровая колокольня начала XVIII века, застроенная в 1837–1841 годах двумя симметричными приделами в стиле ампир. При этом всё здание подверглось стилевой переработке.
