Храмы в честь Троицы стоят на этом месте с Х века — с тех пор как, княгине Ольге было видение с тремя лучами, сходящимися в одном месте. Во времена Псковской республики перед храмом была вечевая площадь, а в самом храме хранились архивы, казна и летописи. Именно здесь висел вечевой колокол, созывавший псковичей на площадь, и именно отсюда его увезли в 1510 году, когда Псков был присоединён к Московскому княжеству.
Нынешний собор — четвёртый по счету на этом месте — построен в 1699 году в московской архитектурной традиции. В соборе хранятся мощи местного святого Николы Салоса, который, по легенде, спас псковичей от зверств Ивана Грозного: юродивый Никола смутил царя, преподнеся ему в пост кусок сырого мяса с пояснением, что такой грешник и людоед наверняка не откажется.
При советской власти собор был закрыт, а при нацистской оккупации Пскова возвращён верующим. Высота собора — более 70 метров: он до сих пор остается самым высоким зданием в городе.