Храм строился 7 лет, с 1828 по 1835 год, по проекту архитектора В. П. Стасова. К времени освящения это был крупнейший храм в Российской империи. Крестообразный в плане каменный собор в стиле ампир увенчан мощным пятиглавием. Фасады оформлены шестиколонными портиками коринфского ордера со скульптурным фризом, в нишах портиков находятся бронзовые фигуры ангелов. Храм является композиционным центром Троицкой площади, голубые купола его в ясную погоду видны за 20 км от города.
Решение построить для Измайловского полка каменный собор взамен обветшалой деревянной церкви принял император Николай I. В высочайшем рескрипте, данном 2 октября 1827 года, государь отмечал: в память о том времени, когда он командовал лейб-гвардии Измайловским полком, он желает построить новую церковь на деньги Кабинета его императорского высочества.
Николай I хотел, чтобы новый храм, как и деревянная Троицкая церковь, имел три придела: главный – в честь Святой Троицы, южный - св. Марии Магдалины, северный – св. мч. Иоанна Воина. Вмещать собор должен был 3000 человек. Руководили строительством три человека: сам император, архитектор Василий Петрович Стасов (автор проекта) и инженер Петр Петрович Базен (глава Комитета для строений и гидравлических работ в Санкт-Петербурге).
Николай I лично контролировал весь процесс и утверждал проекты. Это порой серьезно усложняло работу – уже готовые решения приходилось переделывать, сообразуясь с художественным вкусом государя.
Золотые звезды на голубой фон куполов добавлены по личному указанию Николая I: «купола должны быть выкрашены наподобие куполов Архангельского собора в Москве и Тверского в Твери».
Впрочем, зодчим удавалось отстаивать и свои точки зрения.
Храм строился 7 лет, с 1828 по 1835 год, и на время освящения он являлся крупнейшим храмом в Российской империи.
15 (27) февраля 1867 года в соборе состоялось венчание Ф. М. Достоевского с А. Г. Сниткиной, а 6 (18) ноября 1894 года — отпевание А. Г. Рубинштейна.
При храме действовало благотворительное общество, имевшее в своём распоряжении богадельню, приют и бесплатные квартиры.
В 1912 году было основано Братство православного воспитания детей.
После революции, с июля 1922 года по 1924 год причт собора примыкал к обновленцам.
В 1928—1938 годах храм был кафедральным собором митрополитов Ленинградских (Серафима (Чичагова) и Алексия Симанского).
22 апреля 1938 года храм был закрыт. Предполагался его снос или перестройка в городской крематорий, но планы эти не были осуществлены.
В Великую Отечественную войну храм получил некоторые повреждения. В 1952—1953 и 1966—1967 годах была осуществлена реставрация внешнего вида. В самом здании бывшего собора находился склад.
В 1990 году собор был возвращён Русской православной церкви.
В 2004 году был начат новый этап реставрации, во время которого, 25 августа 2006 года, произошло возгорание строительных лесов, установленных для реставрации купола собора, переросшее в сильный пожар. В результате пожара, в 17 часов 10 минут, произошло обрушение внешних конструкций большого купола собора на внутренний свод. От огня пострадали также два малых купола, уже отреставрированных к июню 2007 года. Эвакуация прихожан, присутствовавших на богослужении, проходившем в это время, и церковных ценностей прошла успешно, пострадавших не было; однако самому собору был нанесён непоправимый урон — полностью уничтожена деревянная конструкция купола, находившаяся в храме более 170 лет.
В конце 2007 года были завершены работы на малом северном куполе и ликвидация последствий пожара. В главном куполе собора были проведены подготовительные работы, монтаж конструкций из клееного бруса, которые стали основой главного купола.
Весной 2008 года началась роспись храма. В течение 2008 года производился монтаж каркаса центрального купола собора. 9 октября 2008 года состоялся чин освящения креста и его установка на центральный купол.
Крестообразный в плане собор в стиле ампир увенчан мощным пятиглавием. Фасады оформлены шестиколонными портиками коринфского ордера со скульптурным фризом. В нишах портиков находятся бронзовые фигуры ангелов. Храм вмещает более 3 000 человек.
