Первая церковь на месте нынешнего собора была заложена 1 июля 1754 г. Главный придел имел посвящение Святой Живоначальной Троице; имелся и второй придел во имя св. Иоанна Воина. Постепенно здание храма ветшало, к тому же оно пострадало при наводнении 1824 г. 13 мая 1828 г. состоялась торжественная закладка нового каменного храма. Строительство продолжалось семь лет и велось на личные средства императора Николая I, в память командования им Измайловским полком: до своего восшествия на престол в декабре 1825 г. великий князь Николай Павлович семь лет являлся командиром второй бригады Первой гвардии пехотной дивизии, к которой относился Измайловский полк. Николай I лично приказал, чтобы "все купола были выкрашены голубою краскою с золотыми звездами, как в Москве на Архангельском, а в Твери на Тверском соборе". Существует легенда, что синий цвет куполов соответствует цвету мундира измайловцев. Здание украшают скульптурный фриз, портики из коринфских колонн. Освящение храма состоялось 25 мая 1835 г. В 1867 г. в Троицком соборе венчался Ф. М. Достоевский.