Инициатором строительства собора выступил известный московский предприниматель, политический деятель и меценат Иван Артемьевич Лямин, владевший с 1858 года Покровской мануфактурой, крупным ткацким производством в Дмитровском уезде. Стремясь обеспечить духовное окормление рабочих и жителей посёлка при фабрике, Лямин принял решение о возведении нового храма. 5 июля 1892 года, в день 470-летия со дня обретения мощей преподобного Сергия Радонежского, состоялась торжественная закладка Троицкого собора. Благословение на строительство дал митрополит Московский и Коломенский Сергий (Ляпидевский).
Проектирование и руководство строительством были поручены московскому архитектору Сергею Константиновичу Родионову, известному своими работами в стиле неоклассицизма. Собор был возведён на территории деревни Леоново Ильинской волости Дмитровского уезда, принадлежавшей до секуляризации 1764 года Кирилло-Белозерскому монастырю. 17 сентября 1895 года состоялось торжественное освящение храма. В честь этого события супругами Лямиными был организован обед на 10 тысяч человек для рабочих, служащих фабрики, жителей Дмитрова и гостей. Каждому участнику был преподнесён памятный столовый набор.
Архитектурно Троицкий собор представляет собой восьмистолпный трёхапсидный храм зального типа с центральным световым барабаном. Фасады украшены тремя портиками, каждый из которых поддерживается семью массивными колоннами коринфского ордера. На фронтонах размещены изображения Всевидящего Ока. Продольные фасады ритмично расчленены парными пилястрами, между которыми расположены широкие и высокие окна. Храм был рассчитан на одновременное пребывание до 4 тысяч человек, что делало его одним из самых вместительных в Подмосковье.
В 1908 году рядом с собором по проекту архитектора С.Б. Залесского была возведена четырёхъярусная колокольня в том же неоклассическом стиле, что и основной храм. Колокольня гармонично дополнила архитектурный ансамбль, подчёркивая величественность сооружения.
После революции, в 1920-х годах, собор был закрыт, а его имущество разграблено. В 1930-х годах здание использовалось для различных хозяйственных нужд: в нём размещались овощехранилище, мебельный склад, столовая и макаронная фабрика. Во время Великой Отечественной войны в подвале храма функционировал госпиталь, где оперировал известный хирург Пётр Захарович Коняров. Впоследствии улица возле храма получила название в его честь.
В 1991 году собор был передан Русской Православной Церкви, после чего началась его реставрация по сохранившимся чертежам XIX века. К 2014 году были проведены внутренние ремонтные работы, подведено отопление, и в храме возобновились богослужения. В 2017 году в Яхроме было образовано Яхромское благочиние, выделенное из Дмитровского благочиния, центром которого стал Троицкий собор.
