Идея строительства нового храма возникла в 1818 году, когда жители Подольска обратились к архиепископу Московскому и Коломенскому Августину (Виноградскому) с прошением о возведении каменной церкви в честь Живоначальной Троицы. Инициатива была связана с желанием увековечить победу в Отечественной войне 1812 года и создать новый духовный центр города.
Проектирование храма было поручено архитектору Осипу Ивановичу Бове, известному своими работами по реконструкции Москвы после пожара 1812 года. Его проект предусматривал создание пятикупольного храма в стиле ампир, что выделяло собор среди других построек южного Подмосковья того времени.
Строительство собора началось в 1819 году и продолжалось до 1832 года. Храм был возведён на высоком холме над рекой Пахрой, что подчёркивало его доминирующее положение в городской застройке и делало его композиционным центром Подольска.
Архитектурно собор представляет собой кирпичное оштукатуренное здание с белокаменными деталями. С западной стороны к нему примыкает трёхнефная трапезная и трёхъярусная колокольня. Главный престол освящён в честь Пресвятой Троицы, а боковые приделы посвящены Успению Пресвятой Богородицы (северный) и святым апостолам Петру и Павлу (южный).
В 1880-е годы храм был утеплён, установлен новый иконостас с драгоценными серебряными ризами. В 1898 году обновлена трапезная, сооружены новые иконостасы и приобретена церковная утварь.
Собор также известен своими святынями, среди которых Иерусалимская икона Божией Матери, почитаемая за избавление города от холеры в 1866 году. Кроме того, в храме хранятся два мощевика с частицами мощей 140 святых и икона новомучеников Подольских.
В 1991 году при соборе была открыта воскресная школа, которая стала одной из крупнейших в Московской епархии. В 2002 году на её базе создана православная молодёжная организация «Протос», объединяющая подростков в труде, занятиях, отдыхе и паломничествах.
