Первая деревянная церковь для гвардейского Измайловского полка была построена в середине 18 века; в 1828 году на её месте начато строительство монументального каменного пятикупольного храма высотой 80 м.
Место для собора было выбрано крайне удачно — огромные купола Троицкого собора хорошо просматриваются из многих точек города, собор является неотъемлемой частью панорамы реки Фонтанки.
Летом 2006 года собор пострадал от пожара, возникшего на строительных лесах; весной 2010 года были завершены работы по восстановлению купола и воссозданию центрального иконостаса.